[發明專利]一種N、S共摻雜的Co9

在審

• 申請號: 202210563369.8
• 申請日: 2022-05-20
• 公開（公告）號: CN115125570A
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 黃步軍;蔣軍成
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B1/04;C01G51/00
• 代理公司: 常州佰業騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 王巍巍

本發明公開一種N、S共摻雜的Co₉S₈材料的制備方法及其應用。采用化學修飾方法，利用巰基?乙炔點擊反應得到咪唑修飾的木質素，通過與鈷鹽配位?預氧化?炭化三步后即可得到N、S共摻雜的花狀Co₉S₈材料。與利用石油基原料相比，制備該材料的主要原料木質素的來源豐富，可顯著降低生產成本，具有優良的社會和經濟效益；該材料更是具有較好全解水性能，在電催化領域具有較好的應用前景。

技術領域

本發明涉及催化劑制備領域，具體涉及一種N、S共摻雜的Co₉S₈材料的制備方法及其應用。

背景技術

過度開采化石燃料導致全球生態系統嚴重惡化，促使研究人員開發替代能源和可持續能源。作為一種綠色能源，制氫引起了學術界和工業界的極大研究和開發興趣。在不同的制氫路線中，通過電化學反應制氫是有前景的，因為它對環境友好且不會產生污染物。在水催化制氫中，鉑基貴金屬通常被認為是最好的催化劑。然而，鉑基催化劑的稀缺性和高成本阻礙了氫能的廣泛應用和商業化。因此，設計高效、低成本、耐用的電催化劑對于新能源的發展具有重要意義。

如今，科學家致力于開發高效、經濟的催化劑來替代Pt和Ru基催化劑。其中，雜原子摻雜的碳材料和過渡金屬被認為是最有希望替代貴金屬催化劑用于氧還原反應(ORR)、析氧反應(OER)或析氫反應(HER)等電化學反應的候選材料。雜原子摻雜可以改變碳原子的電荷密度，提高金屬與雜原子之間的協同作用。例如：N摻雜的超薄碳材料表現出優異的ORR活性。Mn摻雜的Co₃O₄復合催化劑具有很強的OER和ORR活性。然而，這些催化劑不能同時表現出良好的催化活性和穩定性。文獻表明，硫化鈷對ORR具有優異的催化性能和良好的穩定性。此外，硫化鈷的雜原子摻雜也可以促進其雙功能特性以催化兩種不同的反應。

盡管一些報道表明雜原子摻雜硫化鈷是提高其對OER和HER的活性和穩定性的重要策略，但仍然存在一些缺點。例如，將金屬硫化物與碳材料偶聯會導致穩定性降低和嚴重聚集。此外，金屬硫化物導電性差，嚴重影響其催化活性和穩定性。此外，從經濟和生態角度來看，雜原子摻雜碳包覆Co₉S₈催化劑的合成不僅工藝復雜、步驟繁瑣，而且需要使用對環境有害的有機硫源。因此，設計一個簡單、可持續和環保的多原子摻雜Co₉S₈路線對于全解水反應至關重要。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明公開一種N、S共摻雜的Co₉S₈材料的制備方法及其應用，制得的材料花狀結構，其比表面積大，具有很強的穩定性以及較高電化學反應活性。

本發明的技術方案為：一種N、S共摻雜的Co₉S₈材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)中間產物的制備：將木質素加入堿液中，然后加入3-溴丙炔，升高溫度至70-105℃反應120min，冷卻后加入鹽酸進行沉淀，經多次洗滌；冷凍干燥后等到中間產物；

(2)咪唑化木質素的制備：將步驟1制備的中間產物與唑類化合物溶于四氫呋喃，加入2,2-二甲氧基苯基苯乙酮，然后在汞燈下照射下反應0.5-1h，反應后經旋轉蒸發，洗滌干燥后得到咪唑化木質素；

(3)木質素-鈷配合物的制備：將步驟2制備的咪唑化木質素投入到N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，加入鈷鹽，攪拌至充分溶解，超聲后轉入水熱釜中，在烘箱中進行水熱反應，離心，洗滌，冷凍干燥得到木質素-鈷配合物；

(4)N、S共摻雜的Co₉S₈材料的制備：木質素-鈷配合物放置在管式爐中，首先在空氣中進行預氧化，然后在N₂下進行炭化反應，得到花狀的N、S共摻雜的Co₉S₈材料。