[发明专利]一种纳米棒状亚磷酸钴水裂解催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种亚磷酸钴水裂解催化剂的制备方法及其应用，该水裂解催化剂制备方法如下：以六水合硝酸钴、亚磷酸、硼酸和1,4‑二氮杂二环[2.2.2]辛烷为反应原料，采用水热法制得纳米棒状亚磷酸钴水裂解催化剂。本制备方法工序简单、操作方便，所制备的水裂解催化剂因其独特的纳米棒状形态和晶体结构，使得其在碱性溶液中，表现出比其他亚磷酸钴样品更高的电催化活性和稳定性，具有大规模工业化应用价值。

技术领域

本发明涉及电化学催化剂合成技术领域，具体涉及一种纳米棒状亚磷酸钴水裂解催化剂的制备方法及其应用。

背景技术

随着不断增加的能源需求和环境恶化问题的加剧，迫切要求开发出大规模可再生的清洁能源来缓解对日益枯竭的化石能源的依赖。最近引起广泛关注的电催化水氧化技术，被认为是生产可再生能源最有前景的方法之一。然而由于电催化水氧化是一个四电子-质子耦合反应，导致其需要更高的过电势来克服电催化水氧化发生的动力学障碍。在早期研究中，贵金属铱和钌的氧化物及其合金等由于其活跃的电催化性能被主要用于水裂解反应中，但由于其高昂的成本、在地壳中极少的分布和稳定性差限制了它们在工业上的利用。因此寻求成本低廉、地壳储量丰富和具有良好稳定性的非贵金属水裂解催化剂成为解决以上问题的关键。

本发明利用价格低廉的过渡金属离子(Co²⁺离子)作为原料之一，通过简单的水热反应合成出一种纳米棒状亚磷酸钴水裂解催化剂，由于其独特的形貌和晶体结构而表现出优异的水裂解性能。具体而言，纳米棒状形态有利于电介质的离子扩散到材料的活性位点以进行媳妇和氧化还原反应。另一方面，Co₁₁(HPO₃)₈(OH)₆中钴原子与六个氧原子配位形成[CoO₆]八面体，而两个[CoO₆]八面体通过面相连。这些面对面的[CoO₆]八面体通过面的边缘进一步与另外两个[CoO₆]八面体相连。两个共面八面体中的Co-Co原子间距为比Goodenough公式中的临界距离短，表明这两个Co原子能够表现出类金属性质。结构中的[PO₃H]四面体可以提供额外的氢原子用作氢键受体，该特定结构可以将溶液环境中的OH^-或者水分子通过氢键结合吸收到晶体表面，从而进一步的用作水氧化催化剂。同时，相关的实验结果也证实了，在碱性条件下纳米棒状Co₁₁(HPO₃)₈(OH)₆催化剂，由于其更多的活性暴露位点和更高的比表面积，从而表现出优异的电催化水氧化性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种纳米棒状亚磷酸钴水裂解催化剂的制备方法及其应用，该材料有着独特的孔结构和纳米棒状形态表现出高导电性和更大的比表面积，从而为电催化水氧化反应提供了足够的优异活性位点，在碱性环境下表现了良好的电催化活性和稳定性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

提供一种纳米棒状亚磷酸钴水裂解催化剂，它形态为由纳米棒聚集成球状，其中球状颗粒平均粒径为35～45μm，纳米棒平均宽度为200～300nm。

本发明还提供了上述纳米棒状亚磷酸钴水裂解催化剂的制备方法，其步骤如下：

1)将六水合硝酸钴与亚磷酸充分搅拌得到混合液：将六水合硝酸钴和亚磷酸溶解于去离子水中，然后放入磁力搅拌子并将其置于磁力搅拌恒温水浴锅上搅拌得到均匀的混合液；

2)继续将硼酸和1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷加入到步骤1)的混合液中，充分搅拌得到混合液，所述混合液中六水合硝酸钴、亚磷酸、硼酸和1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷的摩尔比为1:2～3:4:5，所得混合溶液在80℃下水浴搅拌3h；然后放入水热反应釜中，从室温升至160℃～200℃，保温反应9天；以每小时10℃的降温速率降至室温，用80℃蒸馏水洗涤产物，过滤，于室温下干燥得到亚磷酸钴水裂解催化剂。