[發明專利]三維納米四氧化三鈷、制備方法及應用

有效

• 申請號: 201710204891.6
• 申請日: 2017-03-31
• 公開（公告）號: CN106935869B
• 公開（公告）日: 2019-04-19
• 發明（設計）人: 龐歡;李欣冉;魏積蕾;鄭莎莎;肖瀟
• 申請（專利權）人: 揚州大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B82Y30/00
• 代理公司: 揚州市錦江專利事務所 32106
• 代理人: 江平

三維納米四氧化三鈷、制備方法及應用，屬于電化學催化材料的制備技術領域。將乙酸鈷和α?氨基丙酸先溶解于去離子水中，再加入無水乙醇，攪拌后離心，取得固體經干燥，得Co?MOF前驅物；將Co?MOF前驅物在管式爐中，于空氣氛圍下進行煅燒，降溫后，得三維納米四氧化三鈷，其形貌呈橄欖型狹長顆粒狀，其表面聚集有小顆粒，形貌均一的高催化性能的鈷基配合物。在OER測試中，顯示了較好的性能，可應用在電化學催化中。

技術領域

本發明屬于電化學催化材料的制備技術領域。

背景技術

隨著人類對能源需求和對環境問題關注的增加，引發了許多高效率、低成本、環境友好的能源轉換和代儲研究。氧電催化是高效能量儲存和轉換設備的發展核心，如金屬空氣電池和再生燃料電池等。然而，該發展主要受阻于動力學慢反應：氧析出反應（OER）和氧還原反應(ORR)：4OH^-→2H₂O+4e+O₂/及其逆反應。

目前為止，最多的OER和ORR催化劑大多是鉑族金屬，如RuO₂，IrO₂和Pt。然而高成本和資源短缺以及弱穩定性限制了它們的廣泛應用。因此，近年來許多研究者都致力于發展低成本和高效率的氧電催化劑。

過渡金屬納米材料及其衍生物有著成本低，產量豐富等特點，尤其是不同結構和維度的鈷基復合物，是探索有前途的替代OER和ORR催化劑。然而，堿性溶液強腐蝕性以及其本身的低傳導率也使鈷基材料應用發展緩慢。將鈷基材料的尺寸降低到納米級別，其催化性能得到了進一步的加強。這主要是因為納米材料特有的性質促進了催化劑與電解質之間的電子傳輸。

發明內容

本發明的目的是提供一種高電催化活性的三維納米四氧化三鈷。

本發明提出的三維納米四氧化三鈷的形貌呈橄欖型狹長顆粒狀，其表面聚集有小顆粒。

三維納米四氧化三鈷具有均勻的橄欖型形貌，顆粒表面并非光滑的，而是具有螺旋形的片層褶皺，即聚集小顆粒。

經試驗證明，本發明提出的三維納米四氧化三鈷具有良好的電催化性能，是非常有潛力替代貴金屬材料的OER催化劑的新產品。

本發明的第二個目的還提出具有以上特性的三維納米四氧化三鈷的制備方法。

1）將乙酸鈷和α-氨基丙酸先溶解于去離子水中，再在混合溶液中加入無水乙醇，攪拌后對體系進行離心，取得固體經干燥，得Co-MOF前驅物；

2）將Co-MOF前驅物在管式爐中，于空氣氛圍下進行煅燒，降溫后，得三維納米四氧化三鈷。

本發明通過攪拌和煅燒兩個簡單的步驟，制備出形貌均一的高催化性能的鈷基配合物。在OER測試中，顯示了較好的性能。

本發明通過簡單的攪拌Co²⁺鹽與氨基酸配體的水溶液即可獲得Co-MOF前驅物。將前驅物在空氣氛中煅燒得到三維Co₃O₄納米顆粒。通過這種簡單兩步方法得到的Co₃O₄納米顆粒，不僅具有新穎而均勻的形貌，更表現出優異的電催化性能。

本發明步驟1）工藝取得的Co-MOF前驅物為玫紅色略微結塊的固體，在氧氣氣氛中煅燒出脫去結晶水及劇烈失重現象，導致其質量降低為原來的20～50%。

進一步地，本發明所述α-氨基丙酸與乙酸鈷的混合質量比為1∶1～5。本發明采用的兩種原料均是廉價易得的常見試劑，采用該用料比原料利用率高，并且不對環境產生污染。

所述去離子水與無水乙醇的混合體積比為1∶5～10。配合物在去離子水中形成飽和溶液，由于溶解度及離子效應等原因，在溶液中出現大量乙醇溶液時配合物可以最大程度的析出，從而提高了材料的產量。