[发明专利]一种磷酸钴修饰碳纤维复合电极材料的制备方法及应用

说明书

本发明属于电催化材料技术领域，具体涉及一种磷酸钴修饰碳纤维复合电极材料的制备方法及应用。本材料包括三维导电基体以及复合在基体表面的催化活性组分磷酸钴；二者组成无粘结剂的一体化电极材料。该发明采用两步水热法，首先得到碳纤维为基底的层状氢氧化钴；再二次水热于氢氧化钴表面发生原位阴离子交换作用转换为磷酸钴作为催化活性组分。该复合电极的制备方法简单易操作，且环境友好利于工业化生产。本发明制备的复合电极基体材料低廉、易加工，表面磷酸钴导电性好，电催化活性高，两者协同作用提高了复合电极材料的电催化性能，是一种具有广泛商业化应用前景的理想析氧反应电催化材料。

技术领域

本发明属于电催化材料技术领域，具体涉及一种磷酸钴修饰碳纤维复合电极材料的制备方法及应用。

背景技术

能源和环境是两个关系到人类社会存续及发展的重大问题。电解水的利用可以将多余电能转换为化学能便于储存，既充分利用洁净能源、解决资源匮乏问题，也可以提供规模化利用的氢气，从而降低化石能源消耗，达到保护环境的目的。然而在电解水过程中，阳极析氧反应(OER)涉及四电子转移，反应动力学缓慢，导致较高的能耗。提高阳极析氧效率的基本方法是应用高活性的阳极催化剂，目前，基于钌、铱等贵金属及其氧化物具有较高电催化活性，能提高析氧效率，但是较高价格和低的储量等因素限制了其商业应用。因此，研究开发一种非贵金属、便于生产与应用的OER催化剂仍然是科学探究的重要方向之一。

随着近年来的研究发展，过渡金属磷酸钴具有良好的离子电导率和电催化析氧活性，作为析氧电催化剂受到广泛关注。目前粉体磷酸钴的合成方法主要有两种：一是可溶性钴盐与磷酸盐反应生成磷酸钴沉淀，该方法虽然成本低廉，但是生长速率过快、易团聚且杂质含量高；另一种是将焦磷酸钴的水合物和水放在密封管中加热至250℃从而制备得到，缺点在于产率低、成本高[白珍辉一种磷酸钴粉体材料的制备方法[P]No.201410453227.1]。而且在传统的电解水过程中，粉体材料往往需要使用粘结剂固定在导电基底进行析氧反应，在加工过程中粘结剂的使用不可避免地引入界面传输电阻，覆盖材料表面活性位点，影响材料催化性能的发挥，既增加电极制备的难度，而且严重限制析氧电催化剂的实际生产与应用。因此，探索方法合成磷酸钴，并且与导电基体直接复合，开发导电性好、催化活性高、长时间稳定性的一体化复合电极是具有重要意义的。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种磷酸钴修饰碳纤维复合电极材料的制备方法及应用。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种磷酸钴修饰碳纤维复合电极材料，包括三维导电基体以及复合在基体表面的催化活性组分；二者组成无粘结剂的一体化电极材料。

进一步，所述三维导电基体材料包括导电性聚丙烯腈碳毡、导电性活性炭毡、导电性粘胶基石墨毡、导电性碳纤维布中的一种，三维导电基体材料中所用碳纤维直径为5～20μm；

所述催化活性组分为包裹三维导电基体材料的松针状磷酸钴，厚度为2～5μm，三维导电基体材料单位质量上的金属原子复合量为1～6mmol。

一种磷酸钴修饰碳纤维复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：将二价钴离子通过一步水热法，在三维导电基体材料上生长氢氧化物，作为前驱体材料再二次水热，原位发生阴离子交换作用转换为相应磷酸盐，活性组分与基体复合形成无粘结剂的一体化电极材料，即为磷酸钴修饰碳纤维复合电极材料。

进一步，所述将二价钴离子通过一步水热法，在三维导电基体材料上生长氢氧化物，作为前驱体材料再二次水热，原位发生阴离子交换作用转换为相应磷酸盐，活性组分与基体复合形成无粘结剂的一体化电极材料，即为磷酸钴修饰碳纤维复合电极材料的具体步骤如下：

步骤1，将碳材料依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，干燥；取浓硝酸浸没清洗干燥后的碳材料，通过水热反应进行酸化处理；