[發明專利]一種碳基過渡元素氧化物納米材料的制備方法和應用

有效

• 申請號: 201710791398.9
• 申請日: 2017-09-05
• 公開（公告）號: CN107523842B
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 李樹生;駱玉成
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/06;B82Y40/00
• 代理公司: 濟南譽豐專利代理事務所(普通合伙企業) 37240
• 代理人: 高強

本發明公開了一種碳基過渡元素氧化物納米材料的制備方法和應用，屬于納米材料、高分子聚合物與催化劑技術領域。采用聚合?浸漬?熱解方法，制得了碳基過渡元素氧化物納米材料催化劑；該催化劑用于催化析氧，具有良好的催化活性與化學穩定性。該催化劑制備所用原料成本低，制備工藝簡單，反應能耗低，具有工業應用前景。

技術領域

本發明涉及一種碳基過渡元素氧化物納米材料的制備方法和應用，屬于納米材料、高分子聚合物與電化學析氧技術領域。

背景技術

隨著地球人口數量的增加，社會經濟的快速發展，能源的需求變得更加緊張。“能源危機”不僅影響世界和平，而且對生態環境的可持續發展提出了挑戰。新能源如氫能、太陽能、風能等具有清潔、無污染、來源廣泛、可再生，環境友好的特點，引起了全世界的廣泛關注。新能源的研究與開發、能源的高效可持續利用以及環境友好成為各國科學家的主要任務。

當前制氫的工藝主要分為以下兩大類:第一類是化石燃料的加工，將石油、煤部分氧化或者重整的方法來制備氫氣;第二種方法以水為原料，通過電解、微生物、光解的方法制氫。盡管電解水制氫工藝成熟，應用廣泛，但因電解水的過程中，在陽極和陰極分別同時生成O₂和H₂，并在兩電極表面發生極化作用，由此產生析O₂、H₂超電勢，提高了電解水槽壓，能耗增大。目前，通過電解水制取的氫氣僅占全世界氫氣總產量的 4%。因此，提高電解水制氫的轉化效率顯得非常重要。

在電解水工業中，過高的陽極析氧過電位是造成電解水過程低效率的主要原因，研究和使用高催化性能的陽極材料，降低析氧過電位是目前水電解研究的一個主要任務。降低陽極過電位最直接經濟的方法是研發新型低溫、高效的催化劑，因為不同的金屬及其催化位點具有不同的析氧電催化活性，材料間的差異主要由材料自身特性與活性比表面積決定。開發催化活性高，使用壽命長的溫和陽極催化劑，不僅對設備要求低，且效率高，經濟成本低，是解決問題的最佳途徑。

眾所周知，材料在納米尺度下具有表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應等特殊的效應，這些特殊的效應賦予納米材料許多奇特的物理、化學性質。納米材料修飾的電極比常規電極具有更大的有效比表面積，與此同時，納米材料修飾電極不僅具有更快的電子輸運和高催化活性，并且可以調控電極表面局部環境，有利于電催化析氧反應。

發明內容

本發明的技術任務之一是為了彌補現有技術的不足，提供一種碳基過渡元素氧化物納米材料的制備方法，該方法所用原料成本低，制備工藝簡單，反應能耗低，具有工業應用前景。

本發明的技術任務之二是提供碳基過渡元素氧化物納米材料的用途，即用該材料用于電化學催化析氧，具有良好的析氧電催化活性與電化學穩定性。該工作電極制作成本低、析氧效果優異、操作方便、操作技術要求低。

本發明的技術方案如下：

1. 一種碳基過渡元素氧化物納米材料的制備方法，步驟如下：

(1) 制備多孔Co-聚脲材料

將0.60-1.20g的硝酸鈷溶解在4-8 mL乙醇中，加入0.20-0.40g聚脲粉末PU，攪拌均勻后，于120 W超聲12-15 min后，浸漬過夜，60℃干燥，制得多孔Co-聚脲材料，產率為68-80%;

(2) 制備碳基過渡元素氧化物納米材料

將Co-聚脲材料置于管式爐中，空氣氛下，升溫速率為 3-5℃/min，加熱至300-500℃，保溫1.5-2.5 h，然后，以 2℃/ min 降溫速率冷卻到室溫，制得碳基過渡元素氧化物納米材料;

步驟(1)中所述聚脲粉末PU，制備步驟如下：