[发明专利]一种纳米电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种新型纳米电催化剂，所述电催化剂为尖晶石结构的Co₂AlO₄超薄纳米片，通过溶剂热还原法在其表面制造大量的氧空位缺陷形成V_O‑Co₂AlO₄。本发明以Co₅Al₉₅合金条带为原料通过脱合金和退火的方式合成Co₂AlO₄超薄纳米片；再采用溶剂热法进一步在Co₂AlO₄超薄纳米片表面制造氧空位缺陷形成V_O‑Co₂AlO₄。该催化剂在电催化产氧中表现出较低的过电位和优异的稳定性，而且制备工艺简单，成本低，耗时少，为新能源材料开发利用提供了新的研发思路。

技术领域

本发明属于电催化材料技术领域，具体地说涉及一种应用于电催化产氧的超薄催化剂Co₂AlO₄纳米片及其制备方法和应用。

背景技术

开发绿色可持续的清洁能源是全世界科学研究的一个重要课题。电催化分解水作为一种清洁的可持续能源转化技术已引起人们广泛关注。电解水过程包括阳极四电子转移的产氧反应(OER)和阴极二电子转移的产氢反应(HER)，而电催化水裂解的瓶颈是动力学极其迟缓的水氧化反应，产氧反应被认为是电催化分解水的决速反应。因此，发展高效廉价的产氧电催化剂至关重要。

传统的催化剂RuO₂和IrO₂在产氧反应中表现出较低的过电势，但二者存在昂贵和不稳定的问题。因此非贵金属析氧反应电催化剂受到重视和发展，如基于Fe、Co、Ni的氧化物。以这些过渡金属为模型，探索增强析氧反应电催化剂性能的方法十分重要。设计高效耐用的产氧反应电催化剂的关键原则在于大量的活性位点、优异的导电性以及稳定的催化活性结构。

Co₃O₄是一种典型的Co基二维材料，是典型的尖晶石结构，Al是丰度很高的元素，将其引入Co₃O₄中替代部分相对较为昂贵的Co同时保持相同的过电位和较好的稳定性。在Co₂AlO₄超薄纳米片表面制造氧空位缺陷使得Co²⁺/Co³⁺比值增大，为氧吸附和脱附提供了更多活性位点，增强电催化剂的导电性，大大减小了氧析出的过电势。本发明即是解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种新型纳米电催化剂及其制备方法和应用，该催化剂不仅在电催化产氧测试中表现出较低的过电位和优异的稳定性，制备工艺简单，成本低，为新能源开发提供了新的催化剂研发思路。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明提供一种新型电催化剂，所述电催化剂为尖晶石结构的超薄纳米片状的Co₂AlO₄，通过溶剂热还原法在电催化剂表面制造大量的氧空位缺陷，氧空位产生后所得新型电催化剂的表达式为V_O-Co₂AlO₄，能够大幅提高电催化产氧性能。

上述新型纳米电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用脱合金法和退火法合成尖晶石结构的Co₂AlO₄超薄纳米片；

(2)利用溶剂热还原法在Co₂AlO₄超薄纳米片表面制造氧空位缺陷形成 V_O-Co₂AlO₄。

上述新型电催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：