[发明专利]一种双功能氧化石墨烯负载核-壳结构钴纳米粒子复合材料

说明书

本发明公开了一种双功能氧化石墨烯负载核‑壳结构钴纳米粒子复合材料。该材料由核‑壳结构的单质钴纳米颗粒均匀分布在氧化石墨烯上形成；以氧化石墨烯为生长基质，在表面活性剂的辅助下二维纳米片状甘油钴自组装形成花状结构附着于氧化石墨烯上，所得前驱体在高温下还原，形成所述材料。本发明采用水热法和高温煅烧，该方法简单，可得到形貌均一的纳米粒子，钴纳米颗粒在石墨烯表面的锚定作用有效改善了该材料的稳定性，不易被碱性溶液腐蚀；钴纳米颗粒和碳基材料之间的协同作用，以及单分散的核‑壳结构纳米粒子暴露出更多的活性位点，有效提升了催化的性能，有利于该材料在碱性溶液中催化水解。

技术领域

本发明属于碱性电解水双功能电催化剂技术领域，具体涉及一种双功能氧化石墨烯负载核-壳结构钴纳米粒子及其制备方法和应用。

背景技术

氢(H₂)由于其具有可再生和环保的特性，在不久的将来被认为是最有希望的清洁能源载体。电化学水分解成氢和氧作为一种有吸引力的可持续能源转换和储存方式已经得到了广泛的应用。然而，大多数电催化剂的整体水分解效率通常受到析氢(HER)和析氧(OER)反应中不可避免的动态过电位的影响。其中HER和OER的最低热力学势约为1.23V。阳极反应OER与四电子的转移以及四个质子去除过程中O-O键的产生有关，严重制约了水电解的效率。此外，作为最有效的HER/OER催化剂，贵金属铂/钌/铱基材料的大规模开发总是受到其昂贵的价格和稀缺的资源的阻碍。鉴于大多数电极材料在酸性条件下容易腐蚀，碱性电解水在工业中被广泛采用。

过渡金属钴基材料由于其地球丰度和低成本引起了全世界的关注，例如金属氧化物、氢氧化物、磷化物和硫族化合物。然而，这些报道的双功能电催化剂中的大多数由于其较小的比表面积和低电导率而具有有限的催化活性。在导电碳载体上负载过渡金属有助于克服这些限制，提高双功能催化活性。因此，研究由碳材料和过渡金属组成的杂化复合材料的双功能催化活性具有十分重要的意义。然而，尽管对钴氧化物或硫化物进行了大量的研究，钴纳米粒子(Co NP)基双功能电催化剂用于HER和OER的报道较少，可能是由于Co NP易团聚以及它们的化学和热稳定性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双功能氧化石墨烯负载核-壳结构钴纳米粒子及其制备方法，并将该纳米粒子用作碱性电解水催化剂。

实现本发明目的的技术解决方案是：

一种氧化石墨烯负载核-壳结构钴纳米粒子(Co-Co/GO)复合材料，由核-壳结构的单质钴纳米颗粒均匀分布在氧化石墨烯上形成所述复合材料。

较佳的，核-壳结构的单质钴纳米颗粒上掺杂了少量碳。

上述复合材料的制备方法，以氧化石墨烯(GO)为生长基质，在表面活性剂的辅助下二维纳米片状甘油钴(CoG@表面活性剂)附着于氧化石墨烯上且自组装形成花状结构CoG@表面活性剂/GO前驱体。该前驱体在高温下还原成核-壳结构的单质钴纳米颗粒均匀分布在氧化石墨烯上形成钴-钴/氧化石墨烯纳米复合材料(Co-Co/GO)，其中，核-壳结构的单质钴纳米颗粒上因有机物高温碳化而掺杂了少量碳。具体步骤如下：

将硝酸钴和表面活性剂分散在水和异丙醇的混合溶液中，加入氧化石墨烯(GO)和丙三醇搅拌均匀，于反应釜中进行水热反应，反应结束后冷却至室温，乙醇洗涤离心、干燥，形成CoG@表面活性剂/GO前驱体，对所得前驱体进行高温煅烧，即可得钴-钴/氧化石墨烯纳米复合材料(Co-Co/GO)。

上述步骤中，硝酸钴、表面活性剂和氧化石墨烯的质量比为1:0.03～0.5：0.1～1，通过比例可以调节甘油钴在氧化石墨烯上原位生长的量。

上述步骤中，表面活性剂为聚醚F127(F127)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)中任意一种。

上述步骤中，异丙醇，水和丙三醇的体积比为1:0.1～0.4:0.25～0.45。