[发明专利]一种析氧/析氢二维一氧化钴@二硒化钴@氮掺杂碳纳米管/石墨烯双功能复合催化剂

说明书

本发明公开了一种析氧/析氢二维一氧化钴@二硒化钴@氮掺杂碳纳米管/石墨烯双功能复合催化剂；该催化剂由一氧化钴纳米颗粒和二硒化钴纳米颗粒及氮掺杂碳纳米管共同负载在二维石墨烯片上构成；其制备方法是将钴盐、含氮有机小分子化合物和氧化石墨烯通过液相混合后，烘干，置于保护气氛中，进行两段焙烧处理，焙烧产物与硒粉在保护气氛中于高温下进行部分硒化处理，即得；该制备工艺简单、成本低，有利于工业化生产；所得复合催化剂应用于水的电分解过程，具有活性高和稳定性好的特点，展现出良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种析氧(OER)和析氢(HER)双功能复合催化剂及其制备和应用方法，特别涉及一种高性能析氧/析氢二维CoO@CoSe₂@N-CNTs/rGO双功能复合催化剂及其制备方法，还涉及CoO@CoSe₂@N-CNTs/rGO双功能复合催化剂在电解水中的应用，属于电催化技术领域。

背景技术

氢能源因其能量密度高、氧化产物只有水并且可以循环利用，被认为是最具应用前景的新型清洁能源之一。以水为原料的电分解水是一种无任何污染物释放的零排放制氢过程，工艺流程和设备简单，易于操作，极具实现大规模应用的潜力。电分解水过程包括阳极的析氧反应(OER)和阴极的析氢反应(HER)。然而，由于不可避免的过电位的存在和动力学迟滞，电解效率非常低，必须使用高效催化剂来进行改善。目前，贵金属Ru/Ir基材料是最高效的OER催化剂；贵金属Pt基材料是最好的HER催化剂。但这些贵金属极少的地球储量、高昂的价格和有待改善的稳定性极大地阻碍了电分解水制氢大规模的推广应用。因此，开发地球储量丰富、价格低廉、活性高和耐久性长的非贵金属OER和HER催化剂是电解水制氢得到广泛商业化推广应用的关键，对清洁能源的转化和储存以及环境保护具有战略性的意义。尤其是开发出能同时有效地催化OER和HER的催化剂对简化制氢工艺的过程和设备、降低成本以及提高电解效率具有重要的意义。由于OER和HER机理的显著差别，开发这类双功能催化剂在制备工艺和机理上存在着巨大的挑战。此外，目前有关石墨烯和碳纳米管共同负载功能性材料的结构几乎均为三维网状结构。相对于二维结构，三维网状结构的材料作为电催化剂不利于电子的传递。

发明内容

针对现有技术中石墨烯和碳纳米管共同负载功能性材料作为电催化剂几乎均为三维网状结构以及在作为析氧/析氢双功能电催化剂使用存在缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种由CoO@CoSe₂纳米颗粒和氮掺杂碳纳米管(N-CNTs)共同负载在二维石墨烯片(rGO)上构的通过具有优异析氧和析氢综合催化性能的二维CoO@CoSe₂@N-CNTs/rGO双功能复合催化剂。

本发明的第二个目的是在于提供一种高性能析氧/析氢二维CoO@CoSe₂@N-CNTs/rGO双功能复合催化剂的制备方法，该制备方法简单，成本低，满足工业生产应用要求。

本发明的第三个目的是在于提供所述高性能析氧/析氢二维CoO@CoSe₂@N-CNTs/rGO双功能复合催化剂应用电解水，表现出活性高、稳定性好等特点。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种析氧/析氢二维CoO@CoSe₂@N-CNTs/rGO双功能复合催化剂，其由一氧化钴纳米颗粒和二硒化钴纳米颗粒及氮掺杂碳纳米管共同负载在二维石墨烯片上构成。