[发明专利]一种碳包覆钴和钴的氧化物复合纳米材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种碳包覆钴和钴的氧化物复合纳米材料及其制备方法与应用，该复合纳米材料是氮、氧、硫三掺杂碳包覆的金属钴和钴的氧化物的复合纳米结构，并且其中的氮、氧、硫三掺杂碳为多孔结构。其制备方法包括：将滤纸浸泡在氯化钴和硫脲的混合溶液中，待吸附饱和后进行干燥处理，得到干燥后饱和滤纸；在保护气体保护下对前驱体的滤纸进行退火处理，升温速率为2℃/min，退火温度为700～1000℃，从而即制得该复合纳米材料。本发明不仅能够快速高效制备出氮、氧、硫三种异质原子掺杂的碳包覆的金属钴及其氧化物纳米颗粒，而这种电解水析氢催化剂在碱性环境下工作具有良好的稳定性和优异的催化活性，能够长时间在苛刻条件下使用。

技术领域

本发明涉及电解水析氢技术领域，尤其涉及一种碳包覆钴和钴的氧化物复合纳米材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着能源危机和环境问题的日益严峻，人们对发展清洁、可持续的能源需求日益增长。氢能具有能量密度较高、环境友好、可再生等特点，因此氢能是一种化石燃料的理想替代品。在各种各样的制氢技术中，电解水被认为是一种最有潜力的制氢技术，这是因为电解水析氢可以将其他绿色能源(如太阳能、风能)储存在氢气中。电解水析氢催化剂是电解水析氢系统中最关键的环节之一。尽管铂基纳米催化剂是酸性条件下最有效的电解水析氢催化剂，但是其储量低、成本高、稳定性低等缺点限制了其大规模商业化应用。与此同时，通过消耗一定的能量，在碱性环境中进行电解水析氢已经被越来越多地应用到工业中。因此急需开发出在碱性环境下工作的低成本、高储量的电解水析氢催化剂，用以发展绿色能源转换体系。

近年来，研究人员已经开发出过渡金属硫化物、硒化物、氧化物、磷化物等多种在碱性环境下工作的电解水析氢催化剂，但这些电解水析氢催化剂的稳定性低，不适合长时间在苛刻条件下进行电解水析氢催化。本发明人研究发现：碳包裹的纳米颗粒可以有效提高催化剂的稳定性，异质原子(所述异质原子为氮、氧、硫)掺杂的碳可以有效改变其电子结构，进一步提高导电性和催化活性，而金属钴(Co)具有与铂类似的氢吸附自由能，且氧化钴和四氧化三钴有利于水分解，因此若将异质原子掺杂的碳与金属钴及其氧化物进行结合，应该能够制备出优异的电解水催化剂，但现有技术中还无法通过有效策略来制备出氮、氧、硫三种异质原子掺杂的碳包覆的金属钴及其氧化物纳米颗粒。

发明内容

为了解决现有技术中碱性环境下工作的电解水析氢催化剂稳定性低，不适合长时间在苛刻条件下使用，而现有制备工艺又无法通过有效策略制备出氮、氧、硫三种异质原子掺杂的碳包覆的金属钴及其氧化物纳米颗粒等技术问题，本发明提供了一种碳包覆钴和钴的氧化物复合纳米材料及其制备方法与应用，不仅能够快速高效制备出氮、氧、硫三种异质原子掺杂的碳包覆的金属钴及其氧化物纳米颗粒，而且这种在碱性环境下工作的电解水析氢催化剂具有良好的稳定性和优异的催化活性，能够满足长时间在苛刻条件下的使用需求，在碱性条件下电解水析氢方面具有重要的应用价值。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种碳包覆钴和钴的氧化物复合纳米材料，其化学通式为Co/CoO_x-NOSC；它是氮、氧、硫三掺杂碳包覆的金属钴和钴的氧化物的复合纳米结构，并且其中的氮、氧、硫三掺杂碳为多孔结构，钴的氧化物为氧化钴或四氧化三钴中的至少一种。

优选地，该碳包覆钴和钴的氧化物复合纳米材料在电流密度为10mA cm^-2时，析氢过电势为57mV，塔菲尔斜率为78mV dec^-1。

一种碳包覆钴和钴的氧化物复合纳米材料的制备方法，包括：

步骤A、将滤纸浸泡在氯化钴和硫脲的混合溶液中，待所述滤纸吸附饱和后，取出滤纸，并对其进行干燥处理，从而得到干燥后饱和滤纸；

步骤B、在保护气体保护下对所述干燥后饱和滤纸进行退火处理，退火处理的升温速率为2摄氏度/分钟，退火温度为700～1000℃，从而制得上述技术方案中所述的碳包覆钴和钴的氧化物复合纳米材料。