[发明专利]一种氟、铁共掺杂磷化钴材料制备方法及其应用

说明书

一种氟、铁共掺杂磷化钴材料制备方法及其应用，本发明是要解决现有CoP催化剂在OER过程中重组只发生在表面层中，反应活性有待提高的问题。制备方法：一、将碳布放入温度为30～70℃的浓硝酸浸泡预处理；二、将硝酸钴和硝酸铁溶于水中，搅拌得到反应液，在反应液中采用三电极体系，进行电沉积处理；三、将生长Fe‑α‑Co(OH)₂纳米片阵列的碳布置于高温管式炉的下游，依次将氟化铵和次磷酸钠置于管式炉上游进行煅烧，得到氟、铁共掺杂磷化钴材料。本发明氟、铁共掺杂磷化钴材料用作氧析出电极，F的引入增强OER动力学。F和Fe的协同作用使重组速度和重组结构达到最优状态，氟、铁共掺杂磷化钴，显著提高电催化性能。

技术领域

本发明涉及一种氟、铁共掺杂磷化钴材料制备方法及其应用。

背景技术

全球化石能源的过度消耗不仅造成了严重的环境污染，同时也带来了能源危机，为了实现“碳达峰”、“碳中和”的目标，开发可持续的、清洁的能源成为了实现这一目标的首要选择。在这方面，氢气(H₂)被认为是最有前途的燃料之一，氢能具有能量密度高、可循环利用性强，无污染的特点，是未来低碳能源系统的潜在候选者。电化学水分解技术被认为是一种有前途的生产氢的技术，具有清洁、高效、纯度高的优点，引起了人们的关注。而且从热力学角度看，其转换效率在80％左右。电解水反应依靠的驱动力分别是阴极的析氢反应(HER)和阳极的析氧反应(OER)。然而，OER涉及复杂多电子转移过程和缓慢的反应动力学，会导致实际反应中高的过电势，使电解水将消耗大量的电能，因此，解决电解水高能耗问题的重要方法之一就是研究和生产高效的OER电极催化材料。

据报道，钴及其衍生物是OER催化中最有前途的催化剂，虽然钴金属及其氧化物或氢氧化物一直被用于水分解OER催化，但是这些催化剂的导电性差，导致催化性能和耐久性不理想。幸运的是，由过渡金属钴和磷通过Co-P共价键构成的磷化钴(CoP)产生费米能级附近的电子结构，表现出固有的金属性。近年来，在OER条件下，CoP与在CoP上原位形成的钴氧/氢氧化物形成协同作用，由于CoP在OER过程中的电化学冷加工过程中暴露了更多的催化位点，因此CoP可能比相应的钴氧化物或氢氧化物具有更高的催化活性。然而，在碱性条件下，CoP催化剂在OER过程中经历表面重组，形成金属氧氢氧化物，通常呈具有缺陷的纳米片结构，被称为“真正的”OER催化剂，然而，这种重组只发生在预催化剂CoP的表面层中且重组速度缓慢。这些问题限制了“真正的”催化剂含量和反应性。

发明内容

本发明的目的是要解决现有CoP催化剂在OER过程中重构只发生在预催化剂CoP的表面层中，重组过程动力学缓慢引起的活性位点和结构的不足，反应活性有待提高的问题，而提供一种氟、铁共掺杂磷化钴材料制备方法及其应用。

本发明氟、铁共掺杂磷化钴材料制备方法按照以下步骤实现：

一、碳布的预处理：

将碳布放入温度为30～70℃的浓硝酸浸泡处理，经过去离子水、无水乙醇超声清洗，干燥后得到预处理的碳布；

二、碳布上生长铁掺杂氢氧化钴纳米片阵列：

将6～7mmol Co(NO₃)₂·6H₂O和0.07～0.7mmol Fe(NO₃)₃·9H₂O溶于80～120mL水中，搅拌得到反应液，在反应液中采用三电极体系，以预处理的碳布作为工作电极，在-0.9V(vs.SCE)电位下电沉积处理，洗涤、干燥后得到生长Fe-α-Co(OH)₂纳米片阵列的碳布；

三、氟、铁共掺杂磷化钴材料的制备：