[發明專利]一種氮摻雜碳復合石墨烯包覆鈷納米陣列催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110413490.8
• 申請日: 2021-04-16
• 公開（公告）號: CN113122877B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 余愿;楚文慧;孫東峰;許并社;孟方友;林宋敏;黃洛;李麗
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B1/04
• 代理公司: 西安銘澤知識產權代理事務所(普通合伙) 61223
• 代理人: 盧會剛

本發明公開一種氮摻雜碳復合石墨烯包覆鈷納米陣列催化劑的制備方法，屬于催化劑制備技術領域，包括以下步驟：以碳源、氮源、氧化石墨烯及碳布為反應原料，在液體媒介中，于180～220℃溫度下反應10～15h，即獲得碳布前驅體；將鈷鹽及獲得的碳布前驅體均勻分散至有機溶劑中進行沉積反應，干燥后得到碳布樣品，靜止備用；將得到的碳布樣品在氬氣或氫氣氬氣氛圍下，于400～500℃溫度下反應1～6h，即得氮摻雜碳復合石墨烯包覆鈷納米陣列催化劑；本發明還公開了一種基于上述制備方法所得催化劑及其在電解水制氫中的應用。本發明的制備過程無需復雜的步驟，制備周期短，方法簡單，所采用的原料價格低廉、安全，所需設備簡單，適合大規模生產。

技術領域

本發明涉及催化劑制備技術領域，尤其涉及一種氮摻雜碳復合石墨烯包覆鈷納米陣列催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

隨著化石燃料的大量消耗，隨之帶來的是嚴峻的環境問題和能源問題，故開發清潔、環境友好、再生能源迫在眉捷。氫能具有能量密度高、產物清潔、燃燒熱值高等優點，被認為是傳統的化石燃料的理想替代者。在眾多的制備的方法中，電解水制氫工藝簡單，產物清潔，是一種獲得高效的氫氣的途徑，但其反應動力學緩慢需要電位較高，制備過程會消耗額外的能量，故高活性催化劑的加入是關鍵。目前，貴金屬的催化性能是最好的，但是由于價格昂貴和貯量少，妨礙了其商業化應用。開發資源豐富、高效、穩定性突出等的非金貴屬催化劑代替貴金屬，在未來可實現大規模生產。碳基金屬催化劑如Co@NC/NG、CoPs/NG、CoP@NC/CF-900、NiFe/G、Co-P/N-doped carbon matrices、Co@N-CNTs@rGO等由于其優異的催化性能得到廣泛關注。

制備氮摻雜碳復合石墨烯包覆鈷納米陣列催化劑的方法有很多，其中最廣泛使用的方法是化學氣相沉積法，是以氯化鈷和金屬有機框架(MOFs)為原料，經高溫煅燒得到碳基金屬催化劑，但現有的制備方法周期長，使用的原料較為昂貴，大規模生產成本高。

發明內容

為了解決上述現有技術中的不足，本發明提供一種氮摻雜碳復合石墨烯包覆鈷納米陣列催化劑及其制備方法和應用，使用的原料價格低廉，制備過程簡單、安全、周期短，所需設備簡單，適合大規模生產。

本發明第一個目的是提供一種氮摻雜碳復合石墨烯包覆鈷納米陣列催化劑的制備方法，包括以下步驟：

以碳源、氮源、氧化石墨烯及碳布為反應原料，在液體媒介中，于180～220℃溫度下反應10～15h，即獲得碳布前驅體；

將鈷鹽及獲得的碳布前驅體均勻分散至有機溶劑中進行沉積反應，干燥后得到碳布樣品，靜止備用；

將得到的碳布樣品在氬氣或氫氣與氬氣混合氛圍下，于400～500℃溫度下反應1～6h，即得氮摻雜碳復合石墨烯包覆鈷納米陣列催化劑。

進一步地，所述鈷鹽與所述碳布前驅體的質量比為1：1.28～5.1。

進一步地，所述鈷鹽包括金屬元素的硝酸鈷、亞硝酸鈷、硫酸鈷、氯化鈷中的一種或多種。

進一步地，所述氧化石墨烯、碳源及氮源的質量比為1:53:16～20。

進一步地，所述碳源為檸檬酸、葡萄糖或乙酸；所述氮源為尿素、硫酸銨或氨水。

進一步地，所述碳布在與碳源、氮源及氧化石墨烯反應之前，還經過以下處理：將碳布依次在硝酸溶液、去離子水中及乙醇中各超聲30min。

進一步地，在氫氣氬氣氛圍下的升溫速率為5～10℃/min。

進一步地，所述液體媒介為等體積的乙醇和水溶液配制而成；

所述有機溶劑為甲醇、乙醇、丙醇或丙酮。

本發明第二個目的是提供一種氮摻雜碳復合石墨烯包覆鈷納米陣列催化劑。