[发明专利]一种磷化钴纳米框架及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种磷化钴纳米框架及其制备和应用，磷化钴纳米框架的制备分为三步：(1)采用沉淀法制备Co‑Co PBA NC；(2)在氨水溶液中进行刻蚀形成具有开放式和内部中空的独特的纳米框架结构Co‑Co PBA NF；(3)采用低温磷化法将Co‑Co PBA NF磷化成CoP NF。利用本发明提供的磷化钴纳米框架作为HER和OER电催化剂时可以有效降低电解水所需的工作电压，提高电解电流密度，并且具有良好催化稳定性好。

技术领域

本发明属于电解水技术领域，涉及一种磷化钴纳米框架及其制备和应用，特别涉及磷化钴纳米框架的制备及其作为双功能电催化剂(产氢电催化剂和产氧电催化剂)电解水的应用。

背景技术

氢气作为一种清洁能源载体具有燃烧热值高、产物无污染和利用形式多样化等优点。电解法以水为原料，是一种清洁、可持续的大规模制备氢气的方法。目前，高耗能、低效率是电解水制氢的最大障碍，为了提高电解效率和节约成本，水分解的两个半反应——产氢反应(HER)和产氧反应(OER)都需要高活性的廉价电催化剂。

过渡金属磷化物(TMPs)作为一类高效HER电催化剂近年来得到了研究人员的广泛研究兴趣。TMPs中带负电的P原子不仅可以作为路易斯碱捕获带正电的质子，而且可以有效促进催化活性位点产生的H₂的脱附。此外，TMPs基电催化剂在经过电化学阳极处理后可以在电催化剂表面形成一层无定型氧化物/羟基氧化物膜，从而表现出优异的OER电催化活性。

Schaak课题组(Angew.Chem.Int.Ed.2014,126,5531)首次报道了多晶面CoP纳米颗粒在酸性溶液中具有高HER电催化活性和稳定性。从那时起，磷化钴应用于电催化水分解的研究如火如荼，尤其是具有特殊形貌的磷化钴，如纳米线、纳米片、纳米管、空心多面体、高度支化的纳米结构等，具有鲜明纳米结构的磷化钴基电催化剂可以暴露更多的催化活性位点、有利于电解液的接触和促进气体逸出。近年来，空心纳米框架结构在多种能源相关领域受到前所未有的研究关注，主要原因是空心纳米框架结构具有一些优异的特性，如大比表面积、高表面积/体积比和高原子利用率等。例如，楼雄文课题(Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,5331)组采用结构诱导各向异性化学腐蚀/阴离子交换法制备了NiS纳米框架，在碱性溶液中应用于超级电容器和HER电催化均表现出优异的电化学性能。然而，具有空心纳米框架结构的磷化钴未有报道，空心纳米框架的形貌预计将赋予磷化钴出色的电催化全水解活性。本发明也正是基于此而提出的。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种磷化钴纳米框架及其制备和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的目的之一在于提出了一种磷化钴纳米框架的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备Co-Co PBA NC(即Co₃[Co(CN)₆]₂纳米立方体)：

先取醋酸钴和柠檬酸钠溶解于去离子水中形成溶液A，取钴氰化钾溶解在去离子水中形成溶液B；随后，将溶液A和溶液B搅拌混合，静置反应，离心、清洗、干燥，即得到粉红色粉末Co-Co PBA NC；

(2)刻蚀Co-Co PBA NC形成开放式和内部中空的独特纳米框架结构Co-Co PBANF：

取氨水溶于去离子水中形成溶液C，取Co-Co PBA NC超声分散在乙醇中形成溶液D；随后，将溶液C加入溶液D中搅拌刻蚀，刻蚀后所得产品经离心、清洗、干燥后，即得到Co-Co PBA NF；

(3)Co-Co PBA NF磷化成目的产物CoP NF：