[發明專利]一種多孔碳@四氧化三鈷納米復合材料的制備方法和應用

有效

• 申請號: 201710792057.3
• 申請日: 2017-09-05
• 公開（公告）號: CN107557811B
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 趙璐;李樹生
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: C25B11/06
• 分類號: C25B11/06;C25B1/04
• 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

本發明公開了一種多孔碳@四氧化三鈷納米復合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。采用配位聚合?熱解方法，制備多孔碳@Co₃O₄納米復合材料。該材料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。該材料用于催化電解水析氧，具有良好的析氧電催化活性與電化學穩定性。

技術領域

本發明涉及一種多孔碳@四氧化三鈷納米復合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

由于氫氣來源廣泛、利用過程清潔、具有良好的導熱性等特點，使氫氣成為世界范圍內被公認的清潔能源載體，近些年來對氫能高效地開發利用越來越多地受到了人們的關注。

目前制氫技術有很多種，通過電催化分解水的方式來制取氫，其過程清潔、產物潔凈、對環境沒有危害，可以稱之為綠色制氫方式。電催化分解水反應包括析氫(hydrogenevolution reaction，HER)和析氧(oxygen evolution reaction，OER)兩個半反應。在電解水過程中能耗問題很嚴重，而解決能耗問題，最行之有效的方法就是降低析氫析氧的過電位，而OER是導致過電位較高的部分，因此開發一種高效而廉價的高催化活性的電解水陽極材料具有十分重要的理論意義和現實意義。

迄今為止，貴金屬銥和釕氧化物二氧化銥(IrO₂)和二氧化釕(RuO₂)，被公認為是OER過程最有效的催化劑，然而，其高成本和資源的短缺，阻礙了該催化劑工業化應用。為克服這些缺陷，目前，已有研究報道采用地球資源豐富的非貴金屬第一族過渡系氧化物、硫化物和氫氧化物等OER催化劑。多孔碳材料不僅可提供更大的比表面積，還可以提供更多的電子傳輸通道，為此，多孔碳材料與金屬復合也用于該反應。

納米材料獨特的物理化學性質可大幅提高電極的性質。這是由于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。目前來說，關于納米材料電催化析氧的研究報道已有不少，但是催化效果并不十分理想，制備過程比較復雜。對于高性能導電的納米材料的合成，冗長復雜的制備過程需要被簡單的方法所替代。

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，提供一種多孔碳@四氧化三鈷納米復合材料的制備方法，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多孔碳@四氧化三鈷納米復合材料的用途，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。

本發明的技術方案如下：

1. 一種多孔碳@四氧化三鈷納米復合材料的制備方法

(1) 電動攪拌下，將17.0 g丙酮和2.4-3.0mmol的雙氰胺溶解成澄清的溶液，加入0.60-1.20g的硝酸鈷溶解在8-12g水的水溶液，冰浴冷卻10 min后，以300 rpm的攪拌速率，恒速滴加22-24 mmol 甲苯二異氰酸酯和8-10g丙酮的共混液，升溫至30℃，保溫聚合反應3h，對得到的固體于70℃的烘箱中烘干至恒重，制得了多孔Co（II）-聚苯脲配位聚合物；

(2) 將Co（II）-聚苯脲配位聚合物置于管式爐中，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的降溫速率冷卻到室溫，制得多孔碳@四氧化三鈷納米復合材料。

所述多孔Co（II）-聚苯脲配位聚合物，多孔由孔徑尺寸為微孔、介孔和小于6um 的大孔組成。

所述多孔碳@四氧化三鈷納米復合材料，是粒徑為10-40nm的單層半導體四氧化三鈷納米粒子負載在石墨和富勒烯C₇₀基材上的多級孔納米片復合材料。