[发明专利]硬模板法制备多孔富氮氮化钴的方法及应用

说明书

本发明公开了一种硬模板法制备多孔富氮氮化钴的方法及应用，所制备的多孔富氮氮化钴应用于析氧反应催化。以廉价的硝酸钴、聚苯乙烯磺酸钠小球为模板通过水热法，低温干燥，最后在氨气氛围条件下，管式炉的炉温范围为350‑450℃，加热保持1.5‑2.5小时即可制得多孔富氮Co₂N_0.67纳米花(Co₂N_0.67NFWs)材料。本发明制备的多孔富氮氮化钴与传统析氧反应催化剂材料贵金属相比，有更低的起始电位和η₁₀(电流密度10mA cm^‑2时的电位值)，更高的长期稳定性，制备材料成本低并且地球储量丰富，制备方法简单，简化程序，节约时间，制备条件温和。

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，涉及一种硬模板法制备多孔富氮氮化钴，并应用于析氧反应催化。

背景技术

氢气(H₂)是目前最清洁、最有前景并且可持续发展的新能源之一，它通过电解水产生，电化学分解水得到H₂和O₂是目前最有效的途径之一，但是，在电催化水分解过程中，阳极上发生的析氧反应(OER)涉及复杂的四电子转移以及多步中间体过程往往使得其反应动力学迟滞，这就要求极高的过电位，从而导致全水分解效率降低。基于贵金属钌(Ru)和铱(Ir)的电催化剂(如：RuO₂、IrO₂)是目前最高效的析氧反应(OER)催化剂，然而，这些贵金属元素在地球上的储量是极其稀少并且价格也十分昂贵，因此并不能满足大规模利用和推广的需求。而地球储量丰富的元素制备的析氧反应(OER)催化剂具有价格低廉、析氧反应(OER)催化活性高以及优异的长期稳定性，所以这些地球储量丰富的非贵金属催化剂在新能源领域已经展现出替代贵金属的潜能，但是，大多数地球储量丰富的电催化剂由于其绝缘体或者半导体特征阻碍了电催化剂到集电器之间的电子传输，这极大的阻碍了析氧反应(OER)效率。因此需要进一步探究地球储量丰富元素的催化剂如何改善其析氧反应(OER)中电子的传导。

近期，具有金属性的氮化钴被证明作为一种新型的高性能的析氧反应(OER)电催化剂，并且地球储量丰富。然而，化学反应的本质主要是化学键的断裂和重建，在同样反应条件下，需要更低活化能(决速活化自由能)的催化反应能够优先诱发催化反应的发生，从而具有高的反应速。但是，大家通常都会忽略氮化钴优异析氧反应(OER)催化性能最主要的因素就是热力学优势。

发明内容

为达到上述目的，本发明提供一种硬模板法制备多孔富氮氮化钴的方法，解决了现有技术中大多数地球储量丰富的电催化剂由于其绝缘体或者半导体特征阻碍了电催化剂到集电器之间的电子传输，极大的阻碍了析氧反应(OER)效率的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，以廉价的硝酸钴通过水热法，低温干燥，最后在氨气氛围条件下，管式炉的炉温范围为350-450℃，加热保持1.5-2.5小时即可制得Co_5.47N纳米微球(Co_5.47N NSHs)材料。同时作为对照，使用聚苯乙烯磺酸钠小球为模板，制备得到多孔富氮Co₂N_0.67纳米花(Co₂N_0.67NFWs)材料，两种不同氮化钴催化剂的制备过程如图1所示，制备过程按以下步骤进行：

步骤S1，制备Co(OH)₂NFWs前驱体：

水热法合成，不使用聚苯乙烯磺酸钠小球作为模板，按比例将2.5-5mmol Co(CH₃COO)₂·4H₂O、5-10mmol六甲基四胺加入到去离子水中搅拌，将上述混合溶液加入到聚四氟乙烯内衬高压斧中，置于高温烘箱中，反应完全以后，待高压斧和产物均冷却到室温，将产物用去离子水和无水乙醇分别清洗，再过夜烘干即可得到Co(OH)₂NFWs；