[发明专利]一种磷掺杂碲化钴纳米材料的制备及应用

说明书

本发明公开了一种磷掺杂碲化钴纳米材料的制备方法，是先以硝酸钴和尿素为原料通过水热法制得氢氧化钴，再经煅烧制得Co₃O₄纳米片，然后将Co₃O₄纳米片与碲粉研磨混合后在Ar气氛下进行煅烧，得到CoTe₂纳米片；最后将CoTe₂纳米片与次亚磷酸钠研磨混合后在Ar气下进行煅烧，得到磷掺杂的CoTe₂纳米粒子材料。本发明由于磷的掺杂，改变了周围CoTe₂的电子云密度，产生有利的协同效应提高HER活性，制备的P‑CoTe₂纳米粒子表现出多孔的结构，比表面积高，导电性高，在酸性和碱性环境下具有稳定、高效催化析氢性能，可作为电催化剂用于水解析氢反应。

技术领域

本发明涉及一致磷掺杂碲化钴纳米材料的制备方法，可作为催化剂用于电催化析氢反应中，属于复合材料和制备技术领域及电化学技术领域。

背景技术

随着化石燃料的使用，造成了严重的环境污染和能源危机。因此，需要一种清洁能源来代替化石能源，氢能作为一种高效而友好的清洁能源引起了人们的关注。氢能的来源方式有很多，电解水产氢是一种高效并且无污染的方式。但是，电解水过程能量消耗较多，因此，设计高效的析氢（HER）催化剂对于加速反应动力学和大大降低过电位至关重要。铂（Pt）是HER的最佳催化剂，由于它有高的稳定性和较低的过电位，使Pt能提供快速HER反应速率。但是，Pt在地球上含量少并且价格昂贵，其广泛应用受到限制。因此，迫切需要寻找具有高催化活性，良好耐久性和低成本的新型HER电催化剂。

近年来，许多过渡金属催化剂已经被广泛研究，例如：过渡金属氧化物、硫化物、磷化物、碳化物、氮化物、氢氧化物等等。但是，这些催化剂受自身催化活性面积和活性位点数量的限制，导致它们有较大的过电位。因此，掺杂作为一种有效的提高电催化性能手段，引起研究者极大的关注。例如：Wang课题组制备了Al掺杂的CoS₂纳米线，表现出良好的析氢性能，，当电流密度达到10和100 mA cm^-2时，过电位小至86和191 mV，并且Tafel斜率为62.47mV dec^-1。（ACS Catal. 2019,9,1489−1502）。Wei课题组报道在碳纸上生长的S掺杂的Ni₅P₄纳米板阵列，S掺杂不仅可以抑制S-Ni₅P₄ NPA/CP在酸性溶液中的表面氧化和溶解，还可以降低氢吸附自由能（ΔG_H*），表现出仅6mV的起始过电位和43.6mV dec^-1的Tafel斜率（ACSAppl. Mater. Interfaces 2018, 10, 26303−26311）。

碲化物材料可用作HER，析氧反应（OER）、氧还原反应（ ORR）和其他电化学应用。Te与O、S和Se同族元素相比，由于具有更明显的金属特性，使得良好电子传导性的Te有助于提高电催化活性。但是，碲化物具有较大的析氢过电位，因此，我们将原子半径较小的P作为阴离子取代占据CoTe₂晶格中Te位的一部分，从而改善碲化钴本身的电催化HER性能。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种磷掺杂碲化钴纳米材料的制备方法；

本发明的另一目的是对上述制备的磷掺杂碲化钴纳米材料的电催化析氢活性进行研究并将其应用于电催化水解析氢反应。

一、磷掺杂碲化钴纳米材料的制备

本发明制备磷掺杂碲化钴纳米材料的方法，包括以下步骤：

（1）将六水合硝酸钴和尿素分散于去离子水中并搅拌至完全溶解后，于90~200℃下水热反应5~24h；产物经洗涤，干燥，得到氢氧化钴；再将氢氧化钴在空气气氛下于200~600℃煅烧2~8h，得到Co3O4纳米片；六水合硝酸钴与尿素的质量比为1:0.25~1:4。