[发明专利]一种CoP纳米颗粒嵌入的氮掺杂多孔碳纳米管电解水催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种CoP纳米颗粒嵌入的氮掺杂多孔碳纳米管电解水催化剂及其制备方法，是以聚丙烯腈纤维薄膜为模板，通过在溶液中的反应获得聚丙烯腈@Zif‑8薄膜，再对薄膜的表面进行处理，使其表面包覆一层Zif‑67颗粒；通过刻蚀掉聚丙烯腈，得到Zif‑8@Zif‑67纳米管；最后对得到的纳米管依次进行不同条件下的煅烧，并且磷化，最终得到CoP纳米颗粒嵌入的氮掺杂多孔碳纳米管。本发明的制备方法简单、成本低廉且易于量产，制备的碳纳米管比表面积较高，具有较高的活性和稳定性，提高了电解水的催化性能，具有较广的应用前景。

技术领域

本发明属于功能纳米材料技术领域，具体涉及一种用作电解水催化剂的CoP纳米颗粒嵌入的氮掺杂多孔碳纳米管的制备方法。

背景技术

纳米结构电极材料具有较短的扩散路径和较高的比表面积，可以增强传统电极材料不能实现的电化学性能。在各种纳米结构中，由于纳米管结构明确的内部通道和大的表面积，这有利于电催化中的电荷和质量传递，因而受到了高度重视。

过渡金属磷化物因与氢化酶的相似性而被报道为析氢反应(HER)的有效催化剂，同时最近的研究还表明过渡金属磷化物也可以催化析氧反应(OER)。通过对纳米结构和催化剂的组成进行优化，以暴露更多的催化活性位点进行水分解，通过与多孔碳材料的杂化和杂原子的掺杂，可以提高过渡金属磷化物的催化性能。沸石咪唑酯骨架(Zifs)，如Zif-67和Zif-8，是一类新型多孔材料，具有沸石状3D拓扑结构、丰富的碳和氮配体，以及高金属离子含量，有望成为优秀的候选材料。Pan等人利用简单的方法合成了Zif-8@Zif-67壳核结构衍生的CoP 纳米粒子嵌入氮掺杂的碳纳米管中空多面体用于水裂解的双功能催化剂(J.Am.Chem.Soc. 2018,140,2610-2618)，具有优异的电化学性能。

目前仍需寻找一种简单高效的制备方法，以合成具有特殊结构的纳米材料，并确保该材料具有较大的产率和较高的比表面积，以满足其在催化和能源等领域的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种CoP纳米颗粒嵌入的氮掺杂多孔碳纳米管电解水催化剂的制备方法，以期获得具有更大比表面积和更高电催化活性的产物。

为实现发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种CoP纳米颗粒嵌入的氮掺杂多孔碳纳米管电解水催化剂的制备方法，包括如下步骤：

a、将聚丙烯腈加到N,N-二甲基甲酰胺溶液中，磁力搅拌至聚丙烯腈充分溶解，再加入二水合醋酸锌并搅拌至充分溶解，得到电纺溶液；然后通过静电纺丝技术，利用铜网收集聚丙烯腈纤维，剥离得到聚丙烯腈纤维薄膜；

b、在60℃的烘箱中，将所述聚丙烯腈纤维薄膜放入2-甲基咪唑的水溶液中浸泡，取出后用无水乙醇洗涤、干燥，获得聚丙烯腈@Zif-8薄膜；

c、在60℃的烘箱中，将所述聚丙烯腈@Zif-8薄膜放入六水合硝酸钴和2-甲基咪唑的混合甲醇溶液中浸泡，取出后用甲醇洗涤、真空干燥，得到聚丙烯腈@Zif-8@Zif-67薄膜；

d、将所述聚丙烯腈@Zif-8@Zif-67薄膜置于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，以刻蚀掉聚丙烯腈，然后离心分离，所得产物置于冷冻干燥机中干燥，得到Zif-8@Zif-67纳米管；

e、将所述Zif-8@Zif-67纳米管在H₂/Ar气氛中煅烧，使Zif-8@Zif-67转换成Co纳米颗粒嵌入的氮掺杂多孔碳纳米管；

f、将所述Co纳米颗粒嵌入的氮掺杂多孔碳纳米管在空气中继续煅烧，使Co转化成Co₃O₄，即得到Co₃O₄纳米颗粒嵌入的氮掺杂多孔碳纳米管；