[发明专利]铝铁共掺杂磷化钴纳米粒子/石墨烯复合材料的制备及应用

说明书

本发明涉及一种铝铁共掺杂磷化钴纳米粒子/石墨烯复合材料的制备方法及应用。在两种不同类型的表面活性剂协同作用下，通过结合水热法和磷化处理，成功制备了铝铁共掺杂磷化钴纳米粒子/石墨烯复合材料(Al,Fe‑codoped CoP/RGO)。具体的制备过程如下：a、制备氧化石墨；b、合成前驱体层状CoAlFe双氢氧化物/氧化石墨复合材料(CoAlFe LHD/GO)；c、将CoAlFe LHD/GO进行磷化处理，即可得到Al,Fe‑codoped CoP/RGO复合材料。该复合材料表现出优异的双功能电催化活性。本发明还可以拓展到其它催化剂的设计，为发展高效、低成本的催化剂提供了新的思路。

技术领域：

本发明涉及铝铁共掺杂磷化钴纳米粒子/石墨烯复合材料的制备方法及其在电解水中的应用。

背景技术：

由于化石燃料的大量消耗，能源危机和环境污染日趋严重，人们迫切希望开发清洁可再生的能源储存和转换技术。氢气由于其具有较高的能量密度和环境友好的特性，被认为是最有应用前景的可再生能源之一。目前，电解水是一种非常有效的制备氢气的方法。而电解水反应分为两个半反应，即氢析出反应(HER)和氧析出反应(OER)。目前，铂(Pt)基以及钌(Ru)或铱(Ir)基材料被认为是最有效的HER和OER催化剂。但是，资源稀少以及成本较高严重地限制了其大规模应用。因此，研发高效、廉价的水分解反应的催化剂至关重要。

实际应用中，由于HER和OER电催化剂活性以及稳定性的不一致，再加上其电极涂覆工艺比较复杂，这些使得HER和OER电催化剂在相同的电解液环境下很难匹配。因此，研发兼具HER和OER催化活性的高效、廉价的双功能电催化剂仍然面临着巨大的挑战。近年来，过渡金属磷化物(TMP)，尤其是磷化钴基材料，由于其具有以下优势而受到广泛的关注：(1)储量丰富、价格低廉；(2)较高的磷含量可以提高抗腐蚀性能，使催化剂在一个较宽的pH范围保持较高的稳定性；(3)磷与HER反应中间产物具有适当的吸附能，使得磷化物表现出较高的HER催化活性；(4)在OER电势下，在TMP表面会形成金属-氧/羟基活性相，其中TMP作为高导电性基底可以促进电子从基底到催化活性相的电荷转移，进而提高OER电催化活性。为了提高TMP的催化性能，国内外科研人员已经进行了大量的研究，并取得了一定的成果。通过异质原子(如：Fe，Mn，Ni，Cu和Al)掺杂已经发展成为一种比较有效的提高TMP催化性能的方法。在这些掺杂元素中，p-金属Al以及d-金属Fe不仅具有价格低、丰度高的优势，而且它们具有不同的电子结构，共掺杂相对于单一的掺杂元素来说可以更加有效地调控催化剂的电子结构，从而达到显著提高催化活性的目的。基于上述考虑，本申请发明人通过简单的、可拓展的结合水热和磷化的方法构筑了p-金属Al和d-金属Fe共掺杂CoP纳米粒子/石墨烯(Al,Fe-doped CoP/RGO)复合材料。该复合材料具有独特的结构和成分特性：(1)褶皱状的石墨烯不仅能够增加复合材料的导电性，还可以提高磷化钴纳米粒子的分散性；(2)超小尺寸的纳米粒子提供了大量的电催化活性位；(3)p-金属Al和d-金属Fe的共掺杂可以有效地调控活性位对中间产物的吸附能，进而提高本征催化活性。

发明内容：

本发明的目的是提供一种铝铁共掺杂磷化钴纳米粒子/石墨烯复合材料的制备方法及其在水分解反应中的应用。在两种不同类型的表面活性剂协同作用下，通过结合水热法和磷化处理，成功制备了Al,Fe-codoped CoP/RGO复合材料。该复合材料具有独特的结构和成分特性，褶皱状的石墨烯不仅能够增加复合材料的导电性，还可以提高磷化钴纳米粒子的分散性；超小尺寸的纳米粒子提供了大量的电催化活性位；p-金属Al和d-金属Fe的共掺杂可以有效地调控活性位对中间产物的吸附能，进而提高了本征催化活性。Al,Fe-codoped CoP/RGO作为双功能电解水催化剂表现出优异的催化性能，具有一定的应用前景。本发明还可以拓展到其它催化剂的设计，为发展高效、低成本的催化剂提供了新的思路。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种铝铁共掺杂磷化钴纳米粒子/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：