[发明专利]一种氮和磷共掺杂碳层包裹磷化二钴催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种氮和磷共掺杂碳层包裹磷化二钴催化剂及其制备方法和应用，涉及功能化材料技术领域。本发明提供的催化剂包括碳基材料以及分布在所述碳基材料上的氮和磷共掺杂碳层包裹磷化二钴纳米颗粒；所述氮和磷共掺杂碳层包裹磷化二钴纳米颗粒包括磷化二钴纳米颗粒和包覆在所述磷化二钴纳米颗粒表面的碳层，所述碳层中掺杂有氮元素和磷元素。本发明提供的氮和磷共掺杂碳层包裹磷化二钴催化剂具有优异的双功能电催化活性，远远优于市售Pt/C和RuO₂，而且本发明提供的催化剂成本较低，适宜大规模推广应用。

技术领域

本发明涉及功能化材料技术领域，具体涉及一种氮和磷共掺杂碳层包裹磷化二钴催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

通过水分解生产氢气是一种有前途的解决方案，无二氧化碳排放，可以满足迅速增长的全球能源需求和环境问题。水分解过程由两电子转移反应(氢析出反应，HER)和四电子-质子耦合反应(氧析出反应，OER)组成，需要的热力学吉布斯自由能(ΔG)约为237.13kJ·mol^-1，对应于可逆氢电极(RHE)的标准电势(ΔE)为1.23V。太阳能驱动的水分解总是在恶劣的条件下进行，例如间歇性与位置有关的太阳辐射，以及实验室规模的当前太阳能制氢(STH)值仍然非常小。

电化学水分解被认为是在温和条件下运行并由可再生能源发电生产氢气的重要策略，然而常规的贵金属电催化剂，例如铂和钌/铱基催化剂(及其合金和金属氧化物)，具有高成本和地球稀缺性的特点，限制了其应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮和磷共掺杂碳层包裹磷化二钴催化剂及其制备方法和应用，本发明提供的催化剂具有优异的双功能电催化活性，且成本较低，对环境友好。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种氮和磷共掺杂碳层包裹磷化二钴催化剂，包括碳基材料以及分布在所述碳基材料上的氮和磷共掺杂碳层包裹磷化二钴纳米颗粒；

所述氮和磷共掺杂碳层包裹磷化二钴纳米颗粒包括磷化二钴纳米颗粒和包覆在所述磷化二钴纳米颗粒表面的碳层，所述碳层中掺杂有氮元素和磷元素。

优选地，所述氮和磷共掺杂碳层包裹磷化二钴纳米颗粒中氮元素的含量为0.5～15wt％，磷元素的含量为0.5～15wt％。

优选地，所述磷化二钴纳米颗粒的粒径为100～200nm。

本发明提供了上述技术方案所述氮和磷共掺杂碳层包裹磷化二钴催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将二价锌盐、二价钴盐、尿素、氟化铵和水混合，得到混合溶液；

将碳纤维布置于所述混合溶液中，进行水热反应，得到ZnCo/CC前驱体；

将所述ZnCo/CC前驱体置于2-甲基咪唑水溶液中，进行浸渍，得到ZnCo-MOF/CC；

将所述ZnCo-MOF/CC进行煅烧，得到Co/NC；

在所述Co/NC中掺杂磷元素和氮元素，得到氮和磷共掺杂碳层包裹磷化二钴催化剂。

优选地，所述二价锌盐、二价钴盐、尿素和氟化铵的摩尔比为0.5～1:1～2:6～10:2～4。

优选地，所述水热反应的温度为100～160℃；所述水热反应的时间为6～10h。

优选地，所述煅烧的温度为800～900℃；所述煅烧的时间为2～3h。

优选地，在所述Co/NC中掺杂磷元素的方法包括：将所述Co/NC和磷源分别置于两个瓷舟中，在管式炉的上游放置盛有磷源的瓷舟，下游放置盛有Co/NC的瓷舟，在管式炉中充入流动的保护性气体，进行磷化反应。