[發明專利]一種超薄分級結構Co@N-C納米片及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110215058.8
• 申請日: 2021-02-25
• 公開（公告）號: CN113061933A
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 唐亞文;王悅;李夢;周其興;王琴;張興媛;孫冬梅
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B1/04
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 蘇虹

本發明公開了一種超薄分級結構Co@N?C納米片及其制備方法和應用，以堿金屬無機鹽為硬模板，以無機鈷鹽為前驅體，以堿性氨基酸為碳源和氮源，將堿金屬無機鹽的飽和溶液和鈷前驅體溶液及碳氮源混合均勻后于室溫下重結晶，利用高溫還原法，重結晶產物經過高溫還原即可得到超薄分級結構Co@N?C納米片。超薄分級結構Co@N?C納米片具有比表面積大、滿量負載、電催化活性高等優點，其作為氧析出陽極催化劑展現出較高的催化活性和穩定性。本發明的制備方法簡單環保，普適通用。

技術領域

本發明涉及催化劑領域，特別是涉及一種電解水催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

目前，開發新技術、新能源是研究熱點，諸如太陽能、風能、生物質能等一系列新能源應運而生，其中氫能作為一種儲量豐富清潔無污染的可再生能源，被認為是未來最具發展前景的新型能源載體。在眾多制氫的方法中，電解水制氫因其高效、綠色、環保、原料豐富等優點脫穎而出，電解所需要的電能可由太陽能、風能等供給；因此，電解水制氫也是一種重要的能源轉換與存儲的手段。電解水由析氫反應(HER)和析氧反應(OER)兩個半反應組成。然而，在電解水制氫氣這條道路上，還有一些迫切需要解決的問題，其中析氧反應由于其機制復雜，慢動力學，需要高過電位，需要高效的電催化劑來克服阻礙。

RuO₂和IrO₂被認為是最常用的商業化催化劑，但其價格昂貴儲量稀少以及低選擇性等阻礙了廣泛應用，因此開發高效、低成本的電催化劑是電解水的核心。氧氣析出反應(OER)作為電解水的重要組成部分，開發高效、穩定、廉價的OER催化劑就顯得尤為重要。

發明內容

發明目的：本發明的目的之一是提供一種超薄分級結構Co@N-C納米片，具有較大的比表面積和豐富的傳質通道，表現出優異的催化活性；本發明的目的之二是提供一種超薄分級多孔結構Co@N-C納米片的制備方法，制備過程簡單高效；本發明的目的之三是提供一種超薄分級結構Co@N-C納米片的應用。

技術方案：本發明所述的一種超薄分級結構Co@N-C納米片，包括摻氮的碳納米片，碳納米片的表面負載有鈷納米片，鈷納米片形成多孔結構。

兩者構成分級多孔結構其中，Co@N-C催化劑由大量二維Co納米片排列組成了立體結構，因此構成了分級結構；二維Co納米片在進行排列的同時形成了孔隙，所以稱之為分級多孔結構。

本發明的一種超薄分級結構的制備方法，包括如下步驟：將堿金屬無機鹽的飽和溶液、鈷前驅體溶液和碳氮源混合均勻，室溫下重結晶處理，將重結晶產物加熱還原處理，得到超薄分級結構Co@N-C納米片催化劑。

以堿金屬無機鹽為硬模板，以無機鈷鹽為前驅體，以堿性氨基酸為碳源和氮源，將堿金屬無機鹽的飽和溶液和鈷前驅體溶液及碳氮源混合均勻后于室溫下重結晶，利用高溫還原法，重結晶產物經過高溫還原即可得到超薄分級結構Co@N-C納米片。

優選地，加熱溫度為600～700℃，加熱時間為1～4h；升溫速率為2.5～10℃·min^-1。而在不同加熱溫度下得到的催化劑形貌不同。

其中，堿金屬無機鹽NaCl、Na₂SO₄或MgCl₂。

其中，鈷前驅體為無機鈷鹽，如Co(NO₃)₂、CoSO₄或CoCl₂。

優選地，碳氮源為L-組氨酸。

優選地，鈷前驅體和L-組氨酸的摩爾比為1∶1～5。

具體制備過程如下：

1)前驅體溶液和堿金屬無機鹽飽和溶液重結晶：稱取足量的堿金屬無機鹽配成飽和溶液，加入一定量Co的前驅體溶液和L-組氨酸溶液，震蕩混合均勻，分散到表面皿里于室溫下重結晶析出。