[發明專利]一種新型電催化劑的制備及應用

有效

• 申請號: 201911175399.6
• 申請日: 2019-11-26
• 公開（公告）號: CN110882698B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 鄭金龍;吳凱利;呂超杰
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B01J23/80
• 分類號: B01J23/80;C02F1/461;C25B1/04;C25B11/04;A62D3/115;C02F101/38;A62D101/26
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發明提供了一種新型電催化劑的制備及應用，具體提供了一種具有電催化性能的鋅摻雜的二維鈷鎳氫氧化物/碳納米管復合材料的制備及其應用，屬于電催化材料的制備方法技術領域。本發明片狀結構的鋅摻雜的鈷鎳氫氧化物，在纖維狀碳納米管的空間位阻下，分散均一，無明顯的團聚現象。該催化劑具有良好的催化性能，制備過程簡單、穩定性高且原料價格低廉、易于實現工業化量產。

技術領域

本發明涉及一種新型電催化劑的制備及應用，具體涉及一種具有電催化性能的鋅摻雜的二維鈷鎳氫氧化物/碳納米管復合材料的制備及其應用，屬于環境友好型電催化材料制備領域。

背景技術

氫氣作為能量載體，具有來源豐富、熱值高和無污染等優點，被認為是替代不可再生化石燃料的理想選擇。堿性電解水因其環境友好、對設備要求低、輸出穩定、安全性高而受到廣泛的關注。電解水包含產氫(HER)和產氧(OER)兩個半反應，Pt被認為是最好的HER催化劑，但Pt價格昂貴，且在堿性溶液中的活性和穩定性均較差，嚴重限制了其廣泛應用；RuO₂被認為是最好的OER催化劑之一，然而其性能衰減嚴重，且OER是四電子過程，動力學緩慢，過電位較高，使得電解水的實際電壓遠高于其理論值(1.23V)，由此造成的高能耗限制了其廣泛應用。

鈷鎳氫氧化物已經成為常見高效的OER催化劑，為進一步提高鈷鎳氫氧化物的性能，將鋅元素摻雜進了鈷鎳氫氧化物納米片。同時，二維片狀結構的設計，使該催化劑具有比表面積大、反應位點多、電子傳遞快等優點。但二維材料容易堆疊，掩蓋活性位點，降低催化性能，因此引入碳納米管到材料體系中，碳納米管的空間位阻能夠減小片層材料的堆疊，暴露更多的活性位點，使其更多的與電解液接觸。

該材料不僅在電催化析氧反應中表現出優異的性能，同時也可用于尿素、水合肼的降解，從而達到環境友好的目的。研究發現，在電催化析氧反應中，尿素和水合肼的引入，有助于降低反應的過電位，同時也可達到降解污染物的目的，一舉兩得。

發明內容

本發明提供了一種具有電催化性能的鋅摻雜的二維鈷鎳氫氧化物/碳納米管復合材料的制備方法，在作為高效OER催化劑的同時，也可用于尿素和水合肼的催化降解。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

（1）鋅摻雜的鈷鎳氫氧化物的制備：稱取六水合硝酸鈷、六水合硝酸鎳、六水合硝酸鋅、聚乙烯吡咯烷酮分散于去離子水中，超聲攪拌處理后，將該混合溶液轉移至圓底燒瓶中，之后置于油浴鍋中，加熱至一定溫度后，依次加入水合肼溶液，尿素水溶液，繼續反應一段時間后，將所得產物進行離心洗滌，之后，將產物分散于去離子水中，得到的分散液進行冷凍處理，最后放入冷凍干燥機中進行冷凍干燥處理，得到片狀鋅摻雜的鈷鎳氫氧化物，備用。

（2）鋅摻雜的二維鈷鎳氫氧化物/碳納米管復合材料的制備：稱取一定量制備得到的片狀鋅摻雜的鈷鎳氫氧化物與碳納米管分散液混合，之后進行超聲攪拌處理，將得到的分散液進行冷凍處理，最后放入冷凍干燥機中進行冷凍干燥處理，最終得到鋅摻雜的鈷鎳氫氧化物/碳納米管復合材料。

優選的，所述步驟（1）中，六水合硝酸鈷的用量為14.5~145 mg，六水合硝酸鎳的用量為14.5~145 mg，六水合硝酸鋅的用量為2.9~29 mg，聚乙烯吡咯烷酮的使用型號為K29-32，用量為66~660 mg，分散六水合硝酸鈷、六水合硝酸鎳、六水合硝酸鋅和聚乙烯吡咯烷酮所用的去離子水的體積為50~200 mL。

優選的，所述步驟（1）中，油浴鍋的溫度選為65-85 ℃。

優選的，所述步驟（1）中，水合肼的濃度為50%~80%，用量為0.5~5 mL，尿素水溶液的濃度為0.1~0.5 mol/L，用量為2~20 mL。

優選的，所述步驟（1）中，反應時間為1~5 h。