[发明专利]一种用于全解水反应的钒掺杂磷化钴纳米刺催化材料

说明书

本发明公开了一种用于全解水反应的钒掺杂磷化钴纳米刺催化材料，包含如下步骤：步骤一、水热合成生长在碳布上的钒掺杂氧化钴氢氧化钴前驱体；步骤二、磷化制备生长在碳布上的钒掺杂磷化钴纳米刺催化材料。本发明不仅具有优良的整体水分解催化活性而且制备工艺简单、稳定性和重复性好，展现出一定的工业和商业价值。

技术领域

本发明涉及全解水催化剂生产技术领域，特别涉及一种用于全解水反应的钒掺杂磷化钴纳米刺催化材料。

背景技术

全球变暖和化石能源紧缺问题一直没能得到根本性解决。近些年，氢能源受到越来越多研究者们的追捧，源于其无污染、高热值、可循环利用的完美特性，但是氢能源的制备效率和成本问题限制了其广泛发展。电催化水分解被认为是一种非常有前途的可持续氢方法，包括阳极析出氧气反应（OER）和阴极析氢反应（HER）。

开发一种性能高效、成本低廉的全解水催化材料对于电解水生产氢气至关重要。目前，基于Ir/Ru的催化剂和基于Pt的催化剂分别被认为是OER和HER的最先进的催化剂。然而，贵金属材料的高成本和稀缺性极大地阻碍了它们的广泛应用。目前，急需寻找一种不含贵金属的电解水催化材料来替代它们，使得开发一种花费高效、性能优异、耐久性高的电解水析氢催化剂成为当下的研究热点。

通常情况下，在碱性介质中，可以将一种表现良好的HER催化材料与另一种表现良好的OER催化材料配对以实现整体水分解，但使用两种不同的电极材料可能会导致催化剂电池组装的不便，同时也可能产生彼此之间的相互污染。

发明内容

本发明的目的在于解决铂基贵金属电解水催化剂昂贵且非贵金属电解水催化剂性能较差的问题，提供一种用于全解水反应的钒掺杂磷化钴纳米刺催化材料，为一种异质结构催化剂，同时具有很高的OER和HER催化活性，在碱性介质中的全解水反应中表现良好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于全解水反应的钒掺杂磷化钴纳米刺催化材料，包含如下步骤：

步骤一、水热合成生长在碳布上的钒掺杂氧化钴氢氧化钴前驱体：

将三氯化钒、硝酸钴、氟化铵、尿素依次加入到去离子水中，搅拌形成均匀的混合溶液，将预处理后的碳布和混合溶液共同加入到带聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，水热反应得到生长在碳布上的钒掺杂氧化钴氢氧化钴前驱体；

步骤二、磷化制备生长在碳布上的钒掺杂磷化钴纳米刺催化材料：

将次磷酸钠放置在瓷舟上游，将生长在碳布上的钒掺杂氧化钴氢氧化钴前驱体放置在同一瓷舟的下游，在氩气氛围下加热至300-400℃保温2-3小时得到生长在碳布上的钒掺杂磷化钴纳米刺催化材料。

本发明结合了杂原子掺杂的技术和水热磷化策略，制备出的是一种性能优异、不含贵金属的电解水催化材料，有很大的潜力成为贵金属铂基催化材料替代品。

本发明提供的钒掺杂磷化钴全解水催化剂是以碳布为导电基底的，且钒掺杂磷化钴纳米刺阵列在碳布表面密集排列，与碳布紧密结合。所制备的钒掺杂磷化钴催化材料是密集生长在碳布上的纳米刺阵列。

作为优选，三氯化钒、硝酸钴、氟化铵、尿素及去离子水的用量配比为：三氯化钒的用量为0.1mM-0.15mM，硝酸钴的用量为2mM-3mM，氟化铵的用量为6mM-9mM，尿素的用量为10mM-15mM，去离子水的用量为30mL-40mL。三氯化钒、硝酸钴、氟化铵、尿素优选的摩尔配比为0.05：1：3：5。

作为优选，碳布的预处理方法为：将剪切好的碳布和浓硝酸共同转移到带有聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，在85±5℃温度下保温120-180分钟，结束之后用乙醇和去离子水分别超声清洗5-10min。

作为优选，浓硝酸的质量浓度为65%-68%。