[发明专利]一种不同阴离子掺杂四氧化三钴多级纳米结构的制备方法

说明书

本发明提供了一种不同阴离子掺杂四氧化三钴多级纳米结构的制备方法。通过一步水热法制备得到纳米片表面生长纳米线的多级阵列结构，该多级纳米结构有利于催化材料活性表面积的充分暴露以及与电解液的充分接触。此外通过不同的热处理方式，分别制得氮原子、磷原子和硫原子掺杂的四氧化三钴多级阵列结构，以改善本征Co₃O₄导电性差、活性位点暴露低等问题，该制备方法具有设备简单、易于实现控制、工艺重复性好、产品质量稳定等优点，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于催化领域，涉及一种负载于泡沫镍基底表面的由不同阴离子掺杂的四氧化三钴多级纳米阵列结构的制备方法。

背景技术

面对日益严峻的环境问题和化石燃料的加速消耗，新能源的开发与储存技术已成为当前的迫切需要。因此，寻找一种清洁、可再生、安全高效、对环境友好的新能源，对未来人类社会的发展具有特别重要意义。氢能作为一种新能源，具有清洁、燃烧热高、可存储、廉价易得等优点，因此被公认为是最理想、最有潜力的替代化石燃料的能源之一。电解水制取氢能源是目前最有发展前景和最清洁的获取氢能的方法之一。然而，由于阳极析氧反应动力学较为缓慢，从而使得该过程耗能增加。因此，开发设计一种高效廉价的电解水催化剂势在必行。目前，贵金属及其化合物(RuO₂或IrO₂)是最有效的OER催化剂，但贵金属材料的高成本和不理想的耐久性在一定程度上阻碍了其进一步实际应用。因此，寻找地球上丰富的替代能源对预期的可再生能源技术是非常必要的。

Co₃O₄因其在碱性电解液中具有良好的催化活性和电化学稳定性而引起广大关注。然而，由于其导电性差、活性位暴露低等缺点，限制了其进一步应用。原位生长与非金属原子掺杂是优化Co₃O₄电化学性能的有效途径之一。原位生长法是将催化活性物质直接生长于导电基底表面，这样可以有效地避免有机粘结剂的使用对催化剂带来的负面影响，另外催化剂与导电基底之间的强相互作用不仅有利于催化活性物质与基底间的电荷传输，而且也可以避免催化材料从基底表面的脱落，从而提高其催化稳定性。此外由于外来掺杂原子与氧原子不同的电子结构，原子半径以及电负性，杂原子掺杂不仅可以改变Co₃O₄晶格中钴原子的给电子能力以提高材料的导电性，而且掺杂进入晶格表面的原子往往是催化反应中的催化活性位点，因此杂原子掺杂对提高Co₃O₄催化阳极析氧性能具有显著作用。

发明内容

针对Co₃O₄导电性差、活性位暴露低等问题，本发明提出一种生长于泡沫镍表面由不同阴离子掺杂的四氧化三钴多级纳米阵列结构的制备方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

(1)钴基前驱体多级阵列结构的制备：以泡沫镍为基底，使用前首先在盐酸中浸泡超声除去表面的氧化层，再用丙酮、乙醇和去离子水(DI)依次清洗，自然晾干备用。称取六水合硝酸钴、尿素以及氟化铵分散在去离子水中，转移至反应釜中，超声分散处理，随后将处理后的泡沫镍转移至反应釜中，浸入液面以下，使之与反应液充分接触，外壳封装后，转移至烘箱中，恒温一定时长，自然降温。将表面生长钴基前驱体的泡沫镍从反应釜内衬中取出，用去离子水以及乙醇反复冲洗，转移至真空烘箱中烘干，得到生长于泡沫镍表面的钴基前驱体多级阵列结构。

(2)四氧化三钴多级纳米阵列结构的制备：在管式炉中，空气氛围下以固定的升温速率迅速升温至一定的温度，并保持一定时长，对所得钴基前驱体进行煅烧处理，煅烧结束后，自然降温。将所得材料用去离子水以及乙醇反复冲洗，转移至烘箱中烘干，得到生长于泡沫镍表面的四氧化三钴多级阵列结构。