【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于電催化材料，具體涉及一種氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑及其制備方法和應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、在清潔能源中，氫氣因其燃燒能量高、無(wú)碳等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，大部分制氫的方式中，尤為電解水制氫的方式最為清潔無(wú)污染，而水電解由兩個(gè)半反應(yīng)組成：析氫反應(yīng)(her)和析氧反應(yīng)(oer)，而提升其運(yùn)行的效率需要高效的催化劑進(jìn)行催化，因此需要開(kāi)發(fā)具有長(zhǎng)久穩(wěn)定性和高催化活性的新型催化劑。目前，電解水最高效的莫過(guò)于貴金屬催化劑鉑、釕基催化劑，然而貴金屬催化劑因其存量很少、成本高、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，難以大規(guī)模利用。因此許多科學(xué)家致力于開(kāi)發(fā)活性高、穩(wěn)定性強(qiáng)和低成本的貴金屬基催化劑的替代品。
2、目前，過(guò)渡金屬基化合物的催化劑如碳化物、氮化物、硫化物、磷化物等已被廣泛研究，特別是過(guò)渡金屬磷化物(tmps)如磷化鉬(mop)、磷化鐵(fep)、磷化鎳(nip)、磷化鈷(cop)等，尤其是磷化鈷(cop)是貴金屬基催化劑的優(yōu)良替代品之一。cop中磷(p)原子具有的高電負(fù)性，被認(rèn)為是質(zhì)子的受體，可以吸引金屬中的電子，從而加速電子轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)催化劑的電催化活性。然而tmps在制備中容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，并且在酸堿條件下極其容易腐蝕，仍然具有不理想的催化活性和穩(wěn)定性，將過(guò)渡金屬磷化物(tmps)做成具有強(qiáng)耦合效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)是一個(gè)很好的方式，從而增加其活性位點(diǎn)。碳材料因其比表面積大、導(dǎo)電性好以及耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿性受到廣泛關(guān)注，它不僅可以提高電導(dǎo)率，還可以防制金屬團(tuán)聚，增強(qiáng)活性位點(diǎn)的分散，特別是碳納米管(cnt)，由于其獨(dú)特的中空納米結(jié)構(gòu)、大
3、傳統(tǒng)的活性炭材料雖然具有較高的比表面積，但由于其孔徑主要分布在微孔的范圍內(nèi)，不利于離子傳遞和物質(zhì)傳輸。生物質(zhì)和生物分子如鳥(niǎo)嘌呤廣泛存在于自然界，其自身所擁有的雜原子如n在高溫下會(huì)摻雜到碳骨架中，由于存在原子電負(fù)性差異，n摻雜能夠改變碳骨架的局部電荷分布；可以提升碳材料與其他組分結(jié)合的能力，提高載流子濃度，進(jìn)一步提升碳材料的導(dǎo)電性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的載體材料，如專利公開(kāi)號(hào)cn118676385?a公開(kāi)了一種鈷氮共摻雜多孔碳材料及其制備與應(yīng)用，該方法主要采用鳥(niǎo)嘌呤作為碳源和氮源，鳥(niǎo)嘌呤中具有豐富的氮含量，能夠提高材料含氮量，使催化劑的有效反應(yīng)活性位點(diǎn)增多，由該方法得到的鈷氮共摻雜多孔碳材料具有較大的比表面積，高氮含量以及豐富的反應(yīng)活性位點(diǎn)，具有遠(yuǎn)優(yōu)于商用貴金屬催化劑的氧還原反應(yīng)催化活性。文獻(xiàn)《self-reconstruction?of?co/co2p?heterojunctions?confined?in?n-doped?carbonnanotubes?for?zinc–air?flow?batteries》公開(kāi)了一種嵌入在竹狀n摻雜碳納米管(co/co2p@ncnts)中的異質(zhì)結(jié)co/co2p納米晶體，其以三聚氰胺作為氮摻雜碳納米管(ncnts)生長(zhǎng)的氮源和碳源，三苯基膦為m2p相的合成提供磷源，熱處理后，得到co/co2p@ncnts，該復(fù)合材料具有突出的雙功能orr/oer活性和耐久性。但是該方法中以三聚氰胺作為碳源制備碳材料有些顯著的缺點(diǎn)，三聚氰胺在碳化過(guò)程中形成的碳材料孔隙結(jié)構(gòu)往往不夠理想，難以通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)其孔隙結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控；盡管三聚氰胺的含氮量高，但制備過(guò)程中氮元素的摻雜程度可能受到多種因素的影響，如碳化溫度、催化劑種類等，氮摻雜的不均勻性可能影響碳材料的電化學(xué)性能，并且三聚氰胺本身是一種有毒化合物，處理不當(dāng)可能會(huì)對(duì)人的健康和環(huán)境造成影響。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)以上問(wèn)題，本專利技術(shù)提供一種氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑及其制備方法和應(yīng)用，以六水合硝酸鈷為鈷源，以鳥(niǎo)嘌呤為碳源，經(jīng)高溫碳化、煅燒處理和磷化處理后，得到氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑。該催化劑具有較大的比表面積，孔徑分布呈微孔-介孔-大孔多級(jí)孔結(jié)構(gòu)分布的特點(diǎn)，活性位點(diǎn)多，催化反應(yīng)效率高。
2、本專利技術(shù)通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
3、一種氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑，以六水合硝酸鈷為鈷源，以鳥(niǎo)嘌呤為碳源，采用高溫碳化法合成鈷前驅(qū)體，然后對(duì)鈷前驅(qū)體進(jìn)行煅燒處理，得到四氧化三鈷前驅(qū)體，對(duì)四氧化三鈷前驅(qū)體進(jìn)行磷化處理后，得到氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑。
4、進(jìn)一步地，所述氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑的比表面積為20～21m2/g，孔徑分布呈微孔-介孔-大孔多級(jí)孔結(jié)構(gòu)分布，孔結(jié)構(gòu)主要分布在3～4nm。
5、一種如上所述的氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑的制備方法，包括以下步驟：
6、(1)鈷前驅(qū)體的制備：將鳥(niǎo)嘌呤和六水合硝酸鈷加入水中，在恒溫油浴下攪拌至干燥，充分研磨后，將所得混合物粉末移至管式爐中，在惰性氣體氛圍下進(jìn)行高溫煅燒，得到鈷前驅(qū)體；
7、(2)四氧化三鈷前驅(qū)體的制備：將步驟(1)中的鈷前驅(qū)體充分研磨后，將所得的鈷前驅(qū)體粉末移至管式爐中，在空氣氛圍下進(jìn)行煅燒處理，得到四氧化三鈷前驅(qū)體；
8、(3)磷化處理：將步驟(2)中的四氧化三鈷前驅(qū)體移至管式爐下游，將次磷酸鈉移至管式爐上游，在惰性氣體氛圍下進(jìn)行磷化處理，得到氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑。
9、進(jìn)一步地，步驟(1)中，所述鳥(niǎo)嘌呤和六水合硝酸鈷的質(zhì)量比為1:0.3～0.5。
10、進(jìn)一步地，步驟(1)中，所述恒溫油浴下攪拌的溫度為60～70℃，時(shí)間為18～24h。
11、進(jìn)一步地，步驟(1)中，所述高溫煅燒為在氬氣氛圍下700～800℃保溫1.5～2h，升溫速率3～5℃/min，氬氣氣流量為120～150ml/min。
12、進(jìn)一步地，步驟(2)中，所述煅燒處理在空氣氛圍下320～380℃保溫1.5～2h，升溫速率2～3℃/min。
13、進(jìn)一步地，步驟(3)中，所述四氧化三鈷前驅(qū)體與次磷酸鈉的質(zhì)量比為1:12～18。
14、進(jìn)一步地，步驟(3)中，所述磷化處理為在氬氣氛圍下300～400℃保溫1.5～2h，升溫速率2～3℃/min，氬氣氣流量為120～150ml/min。
15、一種如上所述的氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑在析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng)中的應(yīng)用。
16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及有益效果為：
17、1、本專利技術(shù)以六水合硝酸鈷作為鈷源，以生物分子鳥(niǎo)嘌呤作為碳源和氮源，采用高溫碳化法合成鈷前驅(qū)體，然后對(duì)鈷前驅(qū)體進(jìn)行煅燒處理，得到四氧化三鈷前驅(qū)體，對(duì)四氧化三鈷前驅(qū)體進(jìn)行磷化處理后，得到氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種氮摻雜碳納米管包覆CoP/Co2P異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑，其特征在于，以六水合硝酸鈷作為鈷源，以鳥(niǎo)嘌呤作為碳源和氮源，采用高溫碳化法合成鈷前驅(qū)體，然后對(duì)鈷前驅(qū)體進(jìn)行煅燒處理，得到四氧化三鈷前驅(qū)體，對(duì)四氧化三鈷前驅(qū)體進(jìn)行磷化處理后，得到氮摻雜碳納米管包覆CoP/Co2P異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜碳納米管包覆CoP/Co2P異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑，其特征在于，所述氮摻雜碳納米管包覆CoP/Co2P異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑的比表面積為20～21m2/g，孔徑分布呈微孔-介孔-大孔多級(jí)孔結(jié)構(gòu)分布，孔結(jié)構(gòu)主要分布在3～4nm。
3.一種如權(quán)利要求1或2所述的氮摻雜碳納米管包覆CoP/Co2P異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮摻雜碳納米管包覆CoP/Co2P異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述鳥(niǎo)嘌呤和六水合硝酸鈷的質(zhì)量比為1:0.3～0.5。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮摻雜碳納米管包覆CoP/Co2P異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述恒溫油
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮摻雜碳納米管包覆CoP/Co2P異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述高溫煅燒為在氬氣氛圍下700～800℃保溫1.5～2h，升溫速率3～5℃/min，氬氣氣流量為120～150mL/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮摻雜碳納米管包覆CoP/Co2P異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述煅燒處理在空氣氛圍下320～380℃保溫1.5～2h，升溫速率2～3℃/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮摻雜碳納米管包覆CoP/Co2P異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述四氧化三鈷前驅(qū)體與次磷酸鈉的質(zhì)量比為1:12～18。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮摻雜碳納米管包覆CoP/Co2P異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述磷化處理為在氬氣氛圍下300～400℃保溫1.5～2h，升溫速率2～3℃/min，氬氣氣流量為120～150mL/min。
10.一種如權(quán)利要求1或2所述的氮摻雜碳納米管包覆CoP/Co2P異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑在析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng)中的應(yīng)用。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑，其特征在于，以六水合硝酸鈷作為鈷源，以鳥(niǎo)嘌呤作為碳源和氮源，采用高溫碳化法合成鈷前驅(qū)體，然后對(duì)鈷前驅(qū)體進(jìn)行煅燒處理，得到四氧化三鈷前驅(qū)體，對(duì)四氧化三鈷前驅(qū)體進(jìn)行磷化處理后，得到氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑，其特征在于，所述氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑的比表面積為20～21m2/g，孔徑分布呈微孔-介孔-大孔多級(jí)孔結(jié)構(gòu)分布，孔結(jié)構(gòu)主要分布在3～4nm。
3.一種如權(quán)利要求1或2所述的氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述鳥(niǎo)嘌呤和六水合硝酸鈷的質(zhì)量比為1:0.3～0.5。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮摻雜碳納米管包覆cop/co2p異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述恒溫油浴下攪拌的溫度為60～70℃，時(shí)間為18...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉宇川，鄧學(xué)錕，溫加俊，韋銘，劉尚真，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：廣西民族大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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