[发明专利]一种氮掺杂CoFe2O4纳米粉体的制备及电催化应用

说明书

本发明提供了一种氮掺杂CoFe₂O₄纳米粉体的制备方法及其电催化应用。首先，在反应溶液中加入一定比例的钴、铁源制得钴铁预反应液，加热钴铁预反应液一定时间得到CoFe₂O₄纳米粉体；然后，CoFe₂O₄纳米粉体通过在氨气氛围下煅烧掺入氮元素，最终得到氮掺杂CoFe₂O₄纳米粉体。氮掺杂CoFe₂O₄在电催化产氧反应（OER）中表现出优异的催化活性，过电位为0.282 V（相对标准氢电极），塔菲尔斜率低至40 mV/dec，电荷转移电阻降为30Ω。

技术领域

本发明涉及无机纳米粉体的制备及应用领域，具体涉及一种基于溶剂热法制备氮掺杂CoFe₂O₄纳米粉体的方法及其在电催化水分解领域的应用。

背景技术

随着时代的进步发展，人们对能源的依赖性逐渐增强，然而化石燃料有限性及放能过程伴随的环境污染问题引起了人们的高度重视，因此探索开发清洁、可再生的新型能源成为当今世界研究的重点。氢能，因其高能量密度、清洁无污染、可循环再生等优点成功地吸引了人们的关注。众多产氢途径中，电催化分解水产氢作为一种安全、可控、高效的方法成为了当今世界研究的焦点。然而，析氧反应作为电催化分解水的半反应，其复杂的四电子历程使电解水产氢速率的提升受到了极大阻碍。因此，探索开发高效的催化剂提升析氧反应速率成为实现电催化分解水产氢工业化生产的重要一环。大量报道显示，迄今为止提升析氧反应最有效的催化剂为贵金属铱、钌及其化合物，但其本身昂贵的价格以及稀缺的含量限制了其进一步发展。因此，设计合成廉价、易得、高效的析氧催化剂成为新能源开发利用的重要一步。

纳米材料由于其微小的尺寸被赋予了许多特殊的物理、化学性质。随着纳米技术的发展，纵观各个研究领域纳米材料都表现出广泛的应用，尤其是在催化领域意义重大。过渡金属，由于其廉价、无毒、易制备、电子结构易调等优点在应用于电催化领域吸引了人们的目光。但其本身固有的低导电性、高吸附能等缺点限制了其进一步发展，因此亟需有效的调控手段来优化其导电性、吸附能、活性位点等性质。已有大量文献报道，借助硫化、磷化、掺杂、定向生长、晶面调控等手段可以有效调控材料的电子结构优化导电性、吸附能、活性位点提高电荷转移速度从而提升材料的催化活性。其中，掺杂作为一种常用的调控手段，可以通过降低能垒、增加活性位点、减小带隙宽度等途径实现对材料催化性能的调控优化。因此，离子掺杂作为一种有效的调控手段被广泛地研究。近期，南洋理工大学楼雄文课题组研究发现，碳阴离子掺杂镍、钴复合金属磷化物可以通过提升表面积、增加导电性等性质大幅度提升该磷化物的催化活性。

作为一种过渡金属氧化物，CoFe₂O₄因尖晶石型结构赋予其优异的稳定性使其在催化领域脱颖而出。但其高过电位、稀缺活性位点、低导电性等性质阻碍了其作为电催化剂的大规模应用。随着对过渡金属氧化物性质的进一步研究，以及受益于当前元素掺杂调控手段的发展，尖晶石型CoFe₂O₄作为过渡金属氧化物的重要成员其应用价值将被大幅度提升并产生显著的社会效益。鉴于此，本发明提供了一种在保持晶体结构的条件下对CoFe₂O₄的结构进行阴离子氮元素的掺杂从而大幅度提升其催化活性，氮掺杂CoFe₂O₄催化剂的开发、合成及电催化应用为廉价、高效的新型电催化剂的开发探索提供指导方向。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种氮掺杂CoFe₂O₄纳米粉体的制备方法及其电催化性能应用。为解决上述问题本发明的技术方案为：