[發明專利]一種三維碳摻雜四氧化三鈷材料的應用

在審

• 申請號: 201910183967.0
• 申請日: 2019-03-12
• 公開（公告）號: CN109806872A
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發明（設計）人: 張超;郭和樂;劉天西;李倩倩
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: B01J23/75
• 分類號: B01J23/75;B01J35/10;C25B11/06;C25B1/04
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所 31233
• 代理人: 黃志達;魏峯

本發明涉及一種三維碳摻雜四氧化三鈷材料的應用。三維碳摻雜四氧化三鈷材料具有較高的OER和HER性能以及電化學穩定性，是理想的全水分解電催化劑。

技術領域

本發明屬于四氧化三鈷材料應用領域，特別涉及一種三維碳摻雜四氧化三鈷材料的應用。

背景技術

將水電解成氫燃料和氧氣是一種方便的途徑，能以化學方式存儲間歇性的太陽能和風能，是一種理想的解決方案，用于引導高峰電力生產，并最大限度地減少從偏遠地區輸送電力所造成的能量損失。發展高活性，穩定的電催化劑能夠大大提高能量轉換效率和穩定性，并實現商業化。眾所周知，金屬Pt對HER表現出優異的性能，并且諸如RuO₂和IrO₂的金屬氧化物作為OER的催化劑是有效的。然而，高價格和稀缺性顯著阻礙了它們的大規模和實際應用。開發高效且地球豐富的材料以替代貴金屬及其氧化物用于清潔能源技術是非常迫切和必要的。在過去的幾十年中，過渡金屬氧化物儲量豐富，價格便宜以及催化活性高而引起了大家廣泛的關注。在實際應用中，通過優化結構來構造理想電極是實現優異催化活性和穩定性的關鍵問題，因為有限的暴露活性位點仍然在一定程度上抑制了電化學性能。

三維(3D)互連的網絡通常表現出顯著加強的電催化活性，這是由于它具備以下的優點：(a)高比表面積以增加活性位點的數量；(b)多級孔結構來縮短的擴散通道用于快速的離子傳輸；(c)3D互連的結構有利于構筑3D的導電通路，促進電子的傳導；(d)提供良好的機械強度以改善性能穩定性。然而，制備3D互連過渡金屬氧化物網絡是一個巨大的挑戰。最近，Zhao^[1]等人(Shan Zhu,Jiajun Li,Xiaoyang Deng,Chunnian He,Enzuo Liu,Fang He,Chunsheng Shi,N.Zhao,Adv.Funct.Mater 2017,27,1605017.)以三維氮摻雜碳網絡(N-CN)為犧牲模板，采用浸漬法吸附鈷離子。通過在空氣中退火，使鈷離子轉化為Co₃O₄納米顆粒，同時碳模板被空氣氧化而去除?；趭W斯特瓦爾德熟化的原理，消耗超薄碳納米片的同時，誘導了納米顆粒在二維平面上的組裝。最終得到了由2D互連的Co₃O₄構筑而成的三維互連網絡。在此，發明人提出了一種簡便而通用的合成策略，用于生產具有尺寸可調納米粒子的3D互連的碳摻雜的過渡金屬氧化物網絡。碳氣凝膠被用作自犧牲模板，以促進金屬氧化物的生長成3D互連的網絡狀結構，并且在OER和HER中表現出優異的雙功能電催化活性。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種三維碳摻雜四氧化三鈷材料的應用，以克服現有技術中電催化劑催化活性和穩定性不好的缺陷。

本發明提供了一種三維碳摻雜四氧化三鈷材料的應用，所述三維碳摻雜四氧化三鈷材料用作全水分解反應中的析氫析氧電催化劑。

所述三維碳摻雜四氧化三鈷材料的制備方法包括：

(1)將硼砂、葡萄糖加入到去離子水中，水熱反應，得到碳凝膠，其中硼砂、葡萄糖和去離子水的質量比為1:24-28:25-35，洗滌并干燥，得到碳氣凝膠；

(2)將步驟(1)中碳氣凝膠和鈷鹽加入到有機溶劑中，溶劑熱反應，抽濾、洗滌、干燥，得到吸附了過渡金屬的碳氣凝膠，其中碳氣凝膠、鈷鹽和有機溶劑的質量比為1-1.5:1-1.5:110-130；

(3)將步驟(2)中吸附了過渡金屬的碳氣凝膠在空氣中進行熱處理，得到三維碳摻雜四氧化三鈷材料。

所述步驟(1)中水熱反應溫度為160-200℃，水熱反應時間為6-10h。

所述步驟(1)中洗滌為：用水和乙醇依次洗滌。

所述步驟(1)中干燥溫度為80℃。

所述步驟(2)中鈷鹽為醋酸鈷。