[发明专利]一种氧化钴催化剂及其制备和应用

说明书

一种在水中分散并且用三羟甲基氨基甲烷分子保护的氧化钴催化剂，其中活性组分为无定形氧化钴纳米颗粒。制备过程：三羟甲基氨基甲烷溶液中搅拌下加入Co(NO₃)₂溶液，使三羟甲基氨基甲烷分子与钴离子配位，然后室温搅拌下加入氧化剂H₂O₂，得到无定形氧化钴纳米颗粒，粒径为2‑6纳米。该催化剂用于光催化水氧化反应，转化频率达到8.7s^–1(31000h^–1)，具有优良的催化性能。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，尤其是涉及一种高活性的无定形氧化钴催化剂及其制备方法和在光催化水氧化中的应用。

背景技术

水氧化反应作为人工光合作用体系中电子和质子的来源，涉及4个电子和4个质子的转移，是制约太阳能转化为化学能的关键因素之一。因此开发高效、稳定、廉价的光催化水氧化催化剂，对于人工光合作用制备太阳能燃料具有十分重要的意义。钴基化合物作为光催化水氧化催化剂具有廉价、活性较高的特点受到广泛关注，开发新型高效的钴基催化剂近年来已取得一些进展。

Fukuzumi等报道了LaCoO₃作为水氧化反应的催化剂，比相应的Co₃O₄催化剂活性更高[Y.Yamada,K.Yano,D.Hong,S.Fukuzumi,Phys.Chem.Chem.Phys.14(2012)5753-5760.]。Dutta等将分子筛负载的Co(OH)₂用于催化水氧化反应中，也取得了较好的催化活性[J.DelPilar-Albaladejo,P.K.Dutta,ACS Catal.4(2014)9-15.]。Wang等制备了平均尺寸仅为3.5纳米的Co₃O₄纳米颗粒，发现活性比大尺寸的Co₃O₄能够显著提高[Xinchen Wang,ACSCatal.3(2013)383-388.]。

综上所述，钴基光催化水氧化催化剂已取得一些进展，但活性仍然较低。如何通过对催化剂的结构和尺寸进行调变，从而提高催化剂的活性，还有待进一步的研究。

发明内容

本发明的目的在于发明一种在水中均匀分散的无定形氧化钴纳米颗粒催化剂，该催化剂对光催化水氧化反应具有很高的活性。

本发明的又一目的在于提供一种制备粒径2-6纳米左右的无定形氧化钴纳米颗粒的方法，该方法环境友好，操作简便。

为实现上述目的，本发明提供的催化剂活性组分为无定形的氧化钴纳米颗粒，用三羟甲基氨基甲烷缓冲液提供弱碱性条件并用H₂O₂作为氧化剂。

本发明提供的一种无定形氧化钴颗粒的制备方法，其具体步骤为：

在9mL pH值为8-9且浓度为10-100mM的三羟甲基氨基甲烷溶液中，搅拌下加入1mL20-100mM Co(NO₃)₂溶液，使三羟甲基氨基甲烷分子与钴离子配位，然后搅拌下加入0.05mL3wt％氧化剂H₂O₂，继续搅拌2-5分钟，得到无定形氧化钴纳米颗粒。

对本发明提供的催化剂的活性测试方法如下：

光催化水氧化反应：反应器为5mL左右的圆柱形石英池，将一定量的三联吡啶钌,Na₂S₂O₈,pH值为8-9硼酸-硼酸钠缓冲液，所述的氧化钴催化剂，二次水加入到反应器中，反应器与循环水箱相连，温度保持在20-25℃，光源为卤素灯并在出光口配备420纳米滤光片。反应产生的氧气用Clark氧电极进行浓度测试分析。

该催化剂用于光催化水氧化反应，具有优良的催化性能。