[发明专利]囊泡状磷酸根离子功能化氧化钴纳米材料的制备方法及应用

说明书

囊泡状磷酸根离子功能化氧化钴纳米材料的制备方法及应用，涉及电催化技术领域，特别是电极材料的制备。囊泡状P‑CoOsubgt;x/subgt;纳米材料所使用的前驱体采用的原料无毒环保，成本低廉，工艺简单，并且通过简单的煅烧制备而成，易于操作。囊泡状可由各种钴的氧化物获得，易于连续大规模生产。磷酸根离子能够对过渡金属氧化物表面进行改性，从而增加OER电催化反应的表面活性位点，进而改进电子的传输和降低电荷转移的电阻，从而显著地提高OER的电催化性能。这种囊泡状P‑CoOsubgt;x/subgt;纳米材料能够明显地降低电化学水分解时的过电位，并具有较好的电化学稳定性和电化学动力学效应等优点。

技术领域

本发明涉及电催化技术领域，特别是电极材料的制备。

背景技术

析氧反应(OER)在电化学能源储存和转化过程中扮演着重要的角色，其中包括燃料电池，水分解电解槽及金属空气电池等。因此，了解氧析出反应能够进一步促进清洁的和可持续的电化学能源储存和转化系统的发展。电化学水分解作为可持续生产氢燃料的重要方法之一，其阴极析氢反应动力学与阳极产氧动力学息息相关。因此，阳极高效的析氧反应电催化剂能够有效的提高水分解的效率。众所周知，OER过程涉及多电子转移的步骤的反应，从而导致电化学动力学反应较为缓慢，继而降低了电化学能源转化的效率。因此，使用能够进行快速电子转移的电催化剂可以有效的提高水分解的效率。

目前，贵金属，贵金属氧化物以及贵金属合金是OER电催化反应中常用的电催化剂，但由于贵金属高的成本及稀缺性，急需我们找到其替代品。过渡金属在地球资源中含量丰富且成本相对较低，通过对过渡金属相关化合物（如：过渡金属氧化物，硫化物，磷化物及相关的硼化物等）的改进修饰将其应用于OER电催化领域，具有较为广阔的应用前景。近年来，纳米材料作为一种稳定且活泼的材料被广泛使用。此外，可以通过引入C，N， B，P，S等杂原子来修饰纳米材料的电子和结构以提高OER的电催化性能。

过渡金属氧化物由于具有可逆的氧化还原反应所需的多种氧化态而被广泛应用于OER电催化。但由于表面的化学反应使电荷储能和转化能力不能够充分的被释放。因此，过渡金属氧化物在OER电催化方面受到一定程度的限制。

发明内容

针对以上现有技术和缺陷，本发明首先提出一种囊泡状P-CoO_x纳米材料的制备方法。

本发明的实现有以下三种方法：

方法一：先将含有有机配体的去离子水溶液加入含有表面活性剂的去离子水溶液中，然后再加入含有钴盐的去离子水溶液，得到空心球形的钴配合物；将空心球形的钴配合物放入管式炉中在空气氛围下煅烧，得到空心球形的钴氧化物；将空心球形的钴氧化物与磷酸二氢钠分别放入两个瓷舟中，在管式炉中，在氮气氛围下煅烧，所述氮气自管式炉的一端接入，另一端排出，并将盛有磷酸二氢钠的瓷舟放在氮气流动方向的上游，盛放钴氧化物的瓷舟放于氮气流动方向的下游，得到具有囊泡状P-CoO_x空心球纳米材料；所述钴氧化物与NaH₂PO₄的投料质量比为1∶10～30。

由于配体一般是过量的，为提高材料的合成效率，因此在方法一中采用先加入含有有机配体的去离子水溶液，后加入含有钴盐的去离子水溶液。

进一步地，方法一中的钴盐为六水合硝酸钴，有机配体为2-甲基咪唑，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，这些试剂对于控制形成空心球形的钴配合物较为容易。

方法二：将含有钴盐的甲醇溶液加入含有有机配体的甲醇溶液中，得到十二面体的钴配合物，将十二面体的钴配合物放入管式炉中在空气氛围下煅烧，得到十二面体的钴氧化物；将十二面体的钴氧化物与磷酸二氢钠分别放入两个瓷舟中，在管式炉中，将盛有磷酸二氢钠的瓷舟放在气体上游，盛放钴氧化物的瓷舟放于气体的下游，在氮气氛围下煅烧，得到具有囊泡状P-CoO_x十二面体纳米材料；所述钴氧化物与NaH₂PO₄的投料质量比为1∶10。