[发明专利]一种铁修饰的四氧化三钴纳米片阵列电极的制备方法及应用

说明书

一种铁修饰的四氧化三钴纳米片阵列电极的制备方法及应用，它属于电化学催化及能源领域，具体涉及一种电极的制备方法及应用。本发明的目的是要解决现有纳米材料在严苛的碱性条件下析氧反应催化性能低的问题。方法：一、碳布的处理；二、配制溶液；三、浸泡；四、阴离子刻蚀；五、退火处理，得到四氧化三钴纳米片阵列电极和铁修饰的四氧化三钴纳米片阵列电极。一种铁修饰的四氧化三钴纳米片阵列电极用于催化碱性环境中的电解水析氧反应。本发明可获得一种铁修饰的四氧化三钴纳米片阵列电极。

技术领域

本发明属于电化学催化及能源领域，具体涉及一种电极的制备方法及应用。

背景技术

由于化石燃料导致的环境污染和增加的能源需求，寻求环境友好型的可再生能源尤为重要。在众多的替代能源中，由于高能量密度和无碳特性，氢气被认为在未来有希望成为碳基化石能源的替代品。电解水是大规模产氢的有效方式，在此过程中，水既是唯一的原材料又是唯一的副产物，生产方式对环境友好，所产氢气纯度高。电解水过程包括两个半极反应，分别是阴极的析氢反应和阳极的析氧反应。然而，水解过程会被动力学缓慢的析氧反应限制。析氧反应是一个四电子传递过程，涉及到氧氢键的断裂和氧氧键的生成，理论限制为1.23伏。因此，探索和设计高效率析氧反应电催化剂对降低过电位和提升整体过程的能量效率具有重要意义。贵金属基(钌基或铱基)仍然是目前主流的高效析氧反应催化剂。然而，自然存储量低、稳定性差、代价高限制了贵金属基材料的大规模应用。因此，发展无贵金属且高效稳定的析氧催化材料具有重要意义。其中，过渡金属氧化物/氢氧化物展示出高效析氧反应电催化活性。除了化学组成，电催化剂的结构也是影响催化性能的一个重要因素。二维过渡金属氧化物/氢氧化物虽然展示出了良好的析氧性能，但是大多数缺乏有利的多孔特性。为了使二维材料具有多孔特性，开发一种表面化学调节方法十分重要。

近年来有越来越多的以金属有机框架为模板设计合成的纳米材料。金属有机框架是一类快速发展的多孔材料，由有机连接体和金属离子或离子簇反应而成，由于化学和结构多样性，在多相催化、能量储存和转化等领域展示了广泛的应用。结构有序、配体可调节、表面积大且金属位点多使得金属有机框架材料具有活性部位密度高的特点。金属有机框架在水中尤其是酸性和碱性条件下不稳定，但提供了一个理想的模板来设计多种电极材料。一般的转换方式为在不同的气体环境中对材料进行退火处理来掺入非金属杂原子，例如多孔金属氧化物、碳化物、氮化物或它们的复合材料。这个过程伴随着由有机物质蒸发导致的多孔的产生。令人满意的是，得到的材料的基本结构和形貌都良好地保持了。但以金属有机框架为模板设计合成的纳米材料在严苛的碱性条件下析氧反应催化性能低，在电流密度达到10mA/cm²时，目前报导的大多数析氧反应电催化剂的过电位均大于295mV。

发明内容

本发明的目的是要解决现有纳米材料在严苛的碱性条件下析氧反应催化性能低的问题，而提供一种铁修饰的四氧化三钴纳米片阵列电极的制备方法及应用。

一种铁修饰的四氧化三钴纳米片阵列电极的制备方法，是按以下步骤完成的：

一、碳布的处理：

将浓硝酸加入到水热反应釜的内衬中，再将碳布浸入到浓硝酸中，再将水热反应釜放入温度为95℃～105℃的烘箱中2h～4h，得到处理后的碳布；使用无水乙醇冲洗处理后的碳布2次～4次，再使用蒸馏水冲洗处理后的碳布2次～4次，得到去除表面氧化层的碳布；将去除表面氧化层的碳布保存在无水乙醇中；

二、配制溶液：

①、将六水合硝酸钴溶解到去离子水中，得到硝酸钴溶液；

步骤二①中所述的硝酸钴溶液的浓度为30mmol/L～50mmol/L；

②、将1,2-二甲基咪唑溶解到去离子水中，得到1,2-二甲基咪唑溶液；

步骤二②中所述的1,2-二甲基咪唑溶液的浓度为30mmol/L～50mmol/L；