[發(fā)明專利]一種鑭系金屬摻雜鈷酸鑭型納米管材料及其制備方法、以及電解水制氫的方法

有效

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• 申請日: 2020-09-28
• 公開（公告）號: CN112110497B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 俞書宏;余自友
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: C01G51/00
• 分類號: C01G51/00;C25B1/04;C25B11/091;B82Y30/00;B82Y40/00
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• 代理人: 豆貝貝

本發(fā)明提供了一種鑭系金屬摻雜鈷酸鑭型納米管材料及其制備方法、以及電解水制氫的方法。本發(fā)明采用式(Ⅰ)所示的鑭系金屬摻雜LaCoO₃，并形成納米管材料，其具有高比表面積，能夠暴露更多的活性位點(diǎn)，同時，不同鑭系金屬摻雜后，能夠優(yōu)化鈷的氧化態(tài)和配位環(huán)境，進(jìn)而優(yōu)化鈷氧共價(jià)鍵的強(qiáng)度；將其作為析氧催化劑，能夠顯著提升電催化析氧的催化活性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米材料領(lǐng)域，特別涉及一種鑭系金屬摻雜鈷酸鑭型納米管材料及其制備方法、以及電解水制氫的方法。

背景技術(shù)

氫氣被認(rèn)為是一種非常綠色環(huán)保的清潔能源，具有能量密度高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。電解水制氫能夠有效實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)換，對高效利用可再生潔凈能源發(fā)揮重要作用。電解水由兩個半反應(yīng)組成：電催化析氫反應(yīng)(HER)和電催化析氧反應(yīng)(OER)；其中，氫氣析出反應(yīng)(HER)是電解水的陰極反應(yīng)，氧氣析出反應(yīng)是電解水的陽極反應(yīng)。對于上述各類型反應(yīng)，催化劑是電催化反應(yīng)的關(guān)鍵。而不同的反應(yīng)，所需催化劑不同，如電催化析氫反應(yīng)最好的催化劑為Pt系貴金屬，而電催化析氧反應(yīng)通常是RuO₂、IrO₂。

目前，主要的電解水制氫方法包括堿性電解水制氫和酸性電解水制氫。然而該過程需要利用有腐蝕性的堿液和酸液作為電解液，對催化劑和集流體有著較為苛刻的要求。因此，發(fā)展在中性電解液條件下具有優(yōu)異活性的催化劑具有廣泛的應(yīng)用前景。而由于中性電解液與酸、堿電解液的體系環(huán)境及性質(zhì)不同，在酸/堿電解液中適用的電催化劑在中性電解液中會產(chǎn)生怎樣的效果并未可知。

雖然釕和銥基貴金屬在中性電解液條件下，也具有較好的電催化析氧活性，但是其較高的價(jià)格限制其廣泛的應(yīng)用。因此，開發(fā)在中性電解液條件具有高活性、低成本的析氧電催化劑材料面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種鑭系金屬摻雜鈷酸鑭型納米管材料及其制備方法、以及電解水制氫的方法。本發(fā)明提供的鑭系金屬摻雜鈷酸鑭型納米管材料能夠有效提高中性電解液中電催化析氧的產(chǎn)氧催化效果。

本發(fā)明提供了一種鑭系金屬摻雜鈷酸鑭型納米管材料，所述鑭系金屬摻雜鈷酸鑭具有式(I)所示結(jié)構(gòu)：

(La_1-xA_x)CoO₃ (I)；

其中，

鑭系金屬摻雜元素A為Ce、Pr、Nd、Sm和Gd中的一種或幾種；

0＜x≤0.5。

優(yōu)選的，所述納米管材料的外徑為80～300nm，內(nèi)徑為30～200nm；

所述納米管材料的管壁由鑭系金屬摻雜鈷酸鑭納米顆粒搭接組成；

所述納米顆粒的粒度為5～20nm。

優(yōu)選的，所述納米管材料的比表面積為35～50m²/g。

本發(fā)明還提供了一種上述技術(shù)方案中所述的鑭系金屬摻雜鈷酸鑭型納米管材料的制備方法，包括以下步驟：

a)將碲納米線、碳源化合物和水混合，進(jìn)行熱處理，得到碳納米纖維分散液；

b)將所述碳納米纖維分散液與鑭鹽、鈷鹽、摻雜元素金屬鹽和尿素混合后，進(jìn)行水熱反應(yīng)，得到金屬前驅(qū)體包覆的碳納米纖維；

c)對所述金屬前驅(qū)體包覆的碳納米纖維進(jìn)行熱處理，得到鑭系金屬摻雜鈷酸鑭型納米管材料；所述鑭系金屬摻雜鈷酸鑭具有式(I)所示結(jié)構(gòu)：

(La_1-xA_x)CoO₃ (I)；

其中，