[发明专利]一种钴氮硫共掺杂碳担载钴纳米粒子电催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供一种钴氮硫共掺杂碳担载钴纳米粒子电催化剂及其制备方法，首先将碳前驱体、氮前驱体以及钴盐溶于溶剂中，待溶解完全后将溶剂蒸干，得到混合均匀的前驱体粉末，然后将该粉末和硫前驱体置于惰性气氛中较低温度进行第一次热处理，得到g‑C₃N₄纳米材料，再将该纳米材料置于惰性气氛中较高温度进行第二次热处理，得到钴氮硫共掺杂碳担载钴纳米粒子的复合材料，它完整地复制了g‑C₃N₄模板的片层结构。该方法采用的原料廉价易得，制备过程简便且重复性好，制得的片层状钴氮硫共掺杂碳担载钴纳米粒子具有高的原子掺杂量，丰富的孔结构以及良好的等级孔分布，在催化电化学析氢反应时表现出优异的活性与稳定性，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及催化剂领域，尤其涉及一种钴氮硫共掺杂碳担载钴纳米粒子电催化剂及其制备方法。

背景技术

随着传统化石能源的日益枯竭及其使用带来的环境污染问题，人类需要寻求新的能源取而代之。氢能被视为最具发展潜力的清洁能源之一，具有多样化的利用形式，是优良的可再生能源载体。目前，发展氢能经济已成为各国竞相研究的热点乃至长期的战略规划。制氢是氢能利用的一个首要前提，然而目前氢的主要来源仍是化石燃料，因此急需发展可再生的制氢方式。其中，电解水制氢具有转化效率高、工艺简单、无污染、制得的氢气纯度高等优点，被认为是一种理想的制氢方法。然而，对贵金属Pt催化剂的依赖使用极大地提高了电解水制氢的成本，严重制约了其规模化应用。因此，开发高效低廉的非贵金属析氢催化剂已成为水电解领域研究的热点与重点。

非贵金属基杂原子掺杂碳是一类形貌丰富、比表面积高、分子结构及孔结构可控且价廉易得的纳米复合材料，它们在析氢反应中能够表现出优异的催化活性。非贵金属基杂原子掺杂碳的制备基本通过含碳前驱体、非贵金属盐以及杂原子前驱体的混合与高温热处理实现。该过程中，模板的引入有利于调控材料的最终形貌，提高材料的析氢催化活性。其中，可利用的模板主要有两类，一类是以介孔分子筛、Te纳米线为典型的硬模板，制备完成后需将模板去除，操作过程相对复杂，且模板易残留，从而降低材料的催化活性；另一类是以金属有机框架、天然生物质、CdS、g-C₃N₄为典型的模板，它们无需后去除，但多数需要预先合成，制备的难度和复杂性依然增大。因此，无需预先合成的g-C₃N₄模板表现出独特的优势，它呈片层结构，可掺杂的氮含量高，在制备过程中可以通过氮前驱体的高温热聚合原位生成，然后以此为模板即可制备形貌可控的非贵金属基杂原子掺杂碳纳米复合材料，即一锅法实现模板与材料的制备，同时避免了预先合成与后去除的繁琐步骤，操作简便高效。目前，g-C₃N₄已被成功用于原位合成片层氮掺杂石墨烯以及氮掺杂碳担载钴等纳米复合材料（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 11108；J. Power Sources, 2016, 302,114），其中掺杂的原子基本为氮原子，而研究表明，多原子掺杂碳制得的非贵金属纳米复合材料能够表现出更高的析氢催化活性。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明提供一种高效低廉的非贵金属析氢催化剂--一种钴氮硫共掺杂碳担载钴纳米粒子电催化剂及其制备方法。

本发明的具体技术方案如下：

一种钴氮硫共掺杂碳担载钴纳米粒子电催化剂，所述钴氮硫共掺杂碳担载钴纳米粒子为钴氮硫掺杂碳材料与钴纳米粒子的复合物，其中钴氮硫掺杂碳材料呈片层多孔结构，钴纳米粒子则担载在碳材料表面。