[發明專利]一種用于電催化析氫的納米管狀鈷/四氧化三鈷基復合催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010046147.X
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111151254B
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 吉靜;王潤東;王峰
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B01J23/75
• 分類號: B01J23/75;C25B1/04;C25B11/06
• 代理公司: 北京五月天專利商標代理有限公司 11294
• 代理人: 王振華

本發明涉及一種用于電催化析氫的納米管狀鈷/四氧化三鈷基復合催化劑及其制備方法和應用，復合催化劑以納米管狀鈷/四氧化三鈷為基底，再負載鉬酸鈷得到。所述的制備方法中采用鈷片作為管狀四氧化三鈷的唯一鈷源，避免了其他鹽離子對產物產生的影響；利用簡單的陽極氧化技術不僅避免了高溫高壓等劇烈反應條件，減少能耗縮短反應時間；制備出了規整的納米管陣列，這種管狀形貌極大程度上提高了接觸面積，同時其所具有的親水疏氣等特點更加利于氫氣析出。

技術領域

本發明屬于電催化析氫材料領域，具體涉及一種用于電催化析氫的納米管狀鈷/四氧化三鈷基復合催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

隨著人類社會的不斷進步，化石燃料使用過度，環境污染愈發嚴重，人類的生存條件每況愈下。研究和發展新型能源成為當下最重要的議題之一。氫能源由于具有燃燒熱值大、無溫室氣體排放以及燃燒產物和制備原料均為水等優勢而被譽為21世紀最有前景的新能源之一。一般高純度的氫氣可以通過電解水制得。然而，目前電催化析氫所用催化劑通常采用商業鉑碳，價格高昂以及含量稀少嚴重限制其大范圍應用。廉價的非貴金屬化合物催化劑被視為是替代商業鉑碳最好的選擇。四氧化三鈷由于其優異的電化學性能以及較穩定的耐久性而被深入研究。此外，納米管狀結構由于可以縮短離子擴散距離以及親水疏氣等性質備受學者追捧。但此前制備四氧化三鈷納米管通常采用模板法或高溫合成法，這些方法制備流程復雜、化學工藝繁瑣、能耗較大、耗時較長且容易殘留雜質。

一方面，本發明的目的在于解決目前現有技術面臨的管狀四氧化三鈷基催化材料制備方法復雜，能源消耗量大的技術問題，本發明提供一種簡單的制備納米管狀四氧化三鈷基底的技術，旨在減少制備過程中的能耗并簡化流程同時提高其電化學性能，該方法利用鈷片在氟離子與外電壓的共同作用下，使氧化層的生長及溶解達到動態平衡，可得到納米管狀鈷/四氧化三鈷基底。另一方面，本發明的另一目的在于填補目前用于堿性溶液的高效且制備方法環保的析氫催化劑的空缺，提供一種用于電催化析氫的納米管狀鈷/四氧化三鈷基復合催化劑及其制備方法和應用。

發明內容

為了解決現有技術中存在的上述問題，本發明提供一種用于電催化析氫的納米管狀鈷/四氧化三鈷基復合催化劑及其制備方法和應用。所述的制備方法中采用鈷片作為管狀四氧化三鈷的唯一鈷源，避免了其他鹽離子對產物產生的影響。利用簡單的陽極氧化技術不僅避免了高溫高壓等劇烈反應條件，減少能耗縮短反應時間；還制備出了規整的納米管陣列，這種管狀形貌極大程度上提高了接觸面積，同時其所具有的親水疏氣等特點更加利于氫氣析出。

為了實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：一種用于電催化析氫的納米管狀鈷/四氧化三鈷基復合催化劑，以納米管狀鈷/四氧化三鈷為基底，再復合鉬酸鈷得到。

在本發明的優選的實施方式中，所述的鈷/四氧化三鈷基復合催化劑以鉬酸鈷為增強體，管狀基底為鉬酸鈷提供生長位點，使得鉬酸鈷納米線纏繞成球；其基底具有管狀陣列結構，其中納米管的直徑為80-120nm。

本發明還保護用于電催化析氫的納米管狀鈷/四氧化三鈷基復合催化劑的制備方法，包括以下步驟：

（1）以鈷片為陽極，采用陽極氧化法制備得到納米管狀鈷/四氧化三鈷基底；

（2）以鉬酸鈷為增強體，采用化學浴沉積法在納米管狀鈷/四氧化三鈷基底上復合鉬酸鈷，得到所述的納米管狀鈷/四氧化三鈷基復合催化劑。

在本發明的優選的實施方式中，所述的步驟（1）包括以下具體步驟：

1) 配制電解液：配制電解液：配置氟鹽水溶液，超聲均勻后加入有機溶劑，置于30-40℃水浴中磁力攪拌30-40min；

2) 鈷片前處理：將鈷片裁剪并清洗后，再用去離子水洗滌，并置于無水乙醇中超聲10-30min，取出后在室溫下干燥；

3) 陽極氧化：將處理過的鈷片置于陽極，鉑片作為對電極置于陰極，進行陽極氧化反應；