[发明专利]一种氮掺杂CoMoO4纳米球的制备方法及电催化应用

说明书

本发明提供了一种纳米球状结构氮掺杂CoMoO₄纳米粉体的制备方法及其电催化应用。首先，配置钴钼预反应液，置于反应器中加热，反应一段时间后自然冷却，离心洗涤得到CoMoO₄纳米粉体；然后，对CoMoO₄纳米粉体进行氮掺杂，在氨气氛围中高温煅烧，一定时间后冷却至室温收集得到纳米球状结构氮掺杂CoMoO₄纳米粉体。纳米球状结构氮掺杂CoMoO₄纳米粉体具有良好的电催化性质，过电位低至0.280 V（相对标准氢电极），塔菲尔斜率低至44 mV/dec。

技术领域

本发明涉及无机纳米球体的制备应用领域，具体涉及一种基于传统水热法制备氮掺杂CoMoO₄纳米球的方法及电催化应用。

背景技术

随着化石能源的不断消耗，其引发的环境问题及其有限性是世界持续发展的巨大障碍，对能源危机和污染问题的日益关注促使人们必须探索清洁、无污染的替代能源。近年来，氢能源由于能量密度高、可循环利用、清洁无污染等优点成为化石燃料的理想替代品，因此受到了全世界的广泛关注。电解水作为理想的产氢手段因工艺简单、安全、可控成为了目前研究的焦点。值得注意的是，电催化分解水过程中的阳极析氧反应由于涉及复杂的四电子过程具有缓慢的动力学特征，作为电解水的决速环节极大阻碍了其工业化生产。合适的催化剂能够降低反应的活化能，从而推动反应进行。目前最有效的催化剂是贵金属Pt、Ru及其氧化物，但贵金属的高成本和稀缺性严重限制了它们的大规模应用。因此，探索开发低成本、无毒、高效的电催化剂是当今时代发展面临的关键问题之一。

纳米技术作为一种新兴科学技术，其潜在的重要性毋庸置疑，其独特的结构尺寸赋予了纳米粉体材料特别的物理化学性质，并在催化剂领域的应用得到了广泛关注。由于其纳米材料尺寸小、比表面积大、表面原子配位不全等导致表面活性位点增加。过渡金属对于能量贮存与转化、催化等领域具有重要的意义，特别是在电催化分解水的方面，为可持续利用的新能源的研究提供了新的研究方向，因此过渡金属氧化物得到了科研人员的广泛关注。钼作为过渡金属的一种，其氧化物因含量丰富、绿色无毒引起了人们的注意。但其较差的导电性、稀缺的活性位点等缺点使其成为理想的电催化剂面临巨大挑战。近期报道显示，钴基氧化物表现出较好的电催化活性，但也具有低导电率，易团聚以及电荷转移阻力大等缺点限制了其进一步应用。

使用合适的化学手段调控纳米材料，会实现其结构的调控从而显著的提升其功能性。迄今为止，杂原子掺杂是一种有效且常用的性能调控手段，杂原子掺杂可以提升材料的导电性、增加有效电化学活性面积、创造缺陷位点从而大幅度提升材料催化活性。鉴于此，我们合成了一种纳米球状结构的氮掺杂CoMoO₄纳米粉体，保持CoMoO₄晶体结构同时并采取掺杂的手段获得了具有优异电催化性能的双金属氧化物催化剂。

发明内容

1. 一种氮掺杂CoMoO₄纳米球的制备方法，制备步骤如下：（1）将钼源和钴源加入到有机溶剂中置于反应器中，加热反应液，经过一段时间反应后自然冷却，洗涤收集、真空干燥后得到CoMoO₄纳米粉体；（2）对CoMoO₄纳米粉体进行氮掺杂，将CoMoO₄纳米粉体置于氨气氛围下，高温煅烧，反应结束后自然冷却，收集得到纳米球状结构氮掺杂CoMoO₄纳米粉体。

2. 一种氮掺杂CoMoO₄纳米球的制备方法，所述步骤（1）中钼源为钼酸铵、三氧化钼、五氯化钼、四硫代钼酸铵、乙酰丙酮钼、钼酸钠中的一种或几种，最优为乙酰丙酮钼、钼酸纳。

3. 一种氮掺杂CoMoO₄纳米球的制备方法，所述步骤（1）中钼源浓度为1 mmol/L ~20 mmol/L；最优为为2 mmol/L ~ 12 mmol/L。