[发明专利]一步煅烧法制备生物质碳负载的磷化钴电极材料的方法

说明书

本发明属于纳米材料制备技术领域，公开了一种一步煅烧法制备生物质碳负载的磷化钴电极材料。包括：银杏叶作为生物质碳源，硝酸钴、硝酸铵和次磷酸钠作为原料，所述银杏叶、硝酸铵、硝酸钴、去离子水和次磷酸钠的质量比为1～2：1.5～3：0.25～2：12～24：1～8。经管式炉煅烧反应，调节碳源及硝酸铵、硝酸钴、次磷酸钠的含量以及反应温度等变量，制得生物质碳负载的磷化钴电极材料。本发明所述方法操作简单，反应温度低，耗能低。所制备的磷化钴颗粒在生物质碳上分散性好，大小均匀，稳定性高。一步法所制备的生物质碳负载的磷化钴纳米复合电极材料应用于电催化水分解析氢反应和析氧反应，电化学性能优异，适合工业化生产。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一步煅烧法制备生物质碳负载的磷化钴电极材料的方法，用于电催化水分解析氢反应和析氧反应。

背景技术

随着经济的发展，石油和天然气的快速消耗，导致环境问题日益突出。能源开发和环境保护成为人类社会发展中面临的两大重要课题，寻找一种环境友好型的新能源来取代石油或者其他燃料成为当前人类迫在眉睫的问题。氢能源具有原料储量丰富、高热值、无污染、可持续发展等的优势，成为当今社会最具有发展潜力的洁净能源。与化石能源相比，氢能源具有：氢元素在地球中含量最丰富、H₂的燃烧热值高、氢能源是洁净且环境友好型能源等优点。然而，目前对于制氢工业主要有三个途径：甲烷蒸汽重整、煤炭气化和电解水。前两种制氢方法占全部产氢量的95％以上，而电解水产氢只占总产氢量的4％。这是由于前两种制备方法的完善，其产氢效率远远高于电解水。但是，电解水制氢技术简单、快捷、副产物无污染，是一个理想产氢方法。这就需要科学家们研发一种理想的催化剂材料来提高氢气的制备效率。铂族贵金属及其氧化物被认为是目前电催化制氢效率最高的催化剂，但由于价格昂贵且储量较少，限制了其大规模的商业化应用。

近年来，非贵金属基析氢催化剂在性能及应用方面替代贵金属催化剂，其中过渡金属磷化物(如磷化镍、磷化钴、磷化铁等)展现其优秀的催化性能。磷化钴由于催化析氢活性高、易于制备等特点，备受国内外研究者关注。而生物质能作为一种分布广、绿色可再生的能源受到世界各国越来越多的重视。从化学的角度上看，生物质的主要组成元素为C、H和O，而化石资源的主要化学组成为C和H。所以，生物质的特性和利用方式与矿物燃料有很大的相似性，可以充分利用已经发展起来的常规能源技术开发利用生物质能。将磷化钴和生物质碳复合得到的催化材料，同时具有磷化钴的优异特性以及生物质碳材料的高导电性、高比表面积、高稳定性、优越的耐酸碱及独特的电子传导特性的优点，使得其电催化活性进一步提高。

传统的生物质碳负载的磷化钴的电极材料一般分为两步法制备。首先在高温(700～1000℃)下制备生物质碳负载的四氧化三钴或钴单质。然后，在低温下经次磷酸钠磷化生成生物质碳负载的磷化钴电极材料。该方法需经二次管式炉煅烧，工艺流程复杂，反应温度高，耗能高。本发明采用一步低温制备生成生物质碳负载的磷化钴的电极材料，工艺流程简单，反应温度低，耗能低。所制得成品电催化裂解水性能好，适合工业化生产。

发明内容

本发明的目的是采用一步煅烧法低温制备生物质碳负载的磷化钴电极材料，用于电催化水分解析氢反应和析氧反应。原料易得，成本低廉，操作简单，电化学性能高且稳定性好。

本发明的技术方案如下：

一步煅烧法制备生物质碳负载的磷化钴电极材料的方法，包括如下步骤：

(1)分别称取银杏叶粉、硝酸铵、硝酸钴于烧杯中，加入去离子水，超声分散均匀1～6h；然后置于烘箱中恒温烘干；

(2)将步骤(1)烘干后的产物盛于瓷舟末端，称取次磷酸钠于瓷舟前端，用铝箔纸半包裹瓷舟置入氮气氛管式炉中，程序升温至煅烧温度，煅烧结束后，得到黑色的产物。

步骤(1)中，所述的银杏叶粉、硝酸铵、硝酸钴和去离子水的质量比为1～2：1.5～3：0.25～2：12～24。