[发明专利]一种多孔石墨碳包覆钴纳米粒子的析氢催化剂及其制法

说明书

本发明涉及电催化析氢技术领域，且公开了一种多孔石墨碳包覆钴纳米粒子的析氢催化剂，羟基联萘多孔聚合物具有丰富的孔道结构，具有的β‑萘酚结构是Co²⁺良好的配位络合剂，可以通过配位络合作用，将Co²⁺经过丰富的孔道结构，均匀吸附到表面和孔隙内部，在高温热裂解过程中，刚性的萘环和苯环结构可以维持孔道结构不塌陷，形成导电性优异的多孔石墨碳，丰富的孔隙结构有利于离子的传输和扩散，钴纳米粒子均匀沉积在多孔石墨碳的基体中，减少了钴纳米粒子团聚的现象，暴露出大量的电催化活性位点，在碳层的包覆保护作用下，减少了电解液与钴纳米粒子的直接接触，避免钴纳米粒子发生副反应和腐蚀。

技术领域

本发明涉及电催化析氢技术领域，具体为一种多孔石墨碳包覆钴纳米粒子的析氢催化剂及其制法。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题越来越严峻，需要开发新型高效的可再生绿色能源，氢气作为一种理想的化石能源替代品，具有资源丰富、燃烧热量高、绿色无污染等优点，电解水制氢是目前最具有发展前景的制氢方法，但是电解水析氢过程中存在的高过电位，铂基贵金属催化剂具有良好的电催化析氢活性，但是铂基贵金属价格昂贵，储量稀少，限制了其大规模商业化应用。

过渡金属基电催化材料具有储量丰富、成本较低、循环稳定性好等优点，其中钴基电催化剂具有多种电子价态，以及优良的电催化活性，是一种极具发展潜力的电催化析氢催化剂，但是金属钴在催化过程中会受到电解液的腐蚀，影响了钴基催化剂的电催化析氢活性和催化稳定性，并钴纳米粒子容易团聚，导致催化活性位点不足，多孔碳材料具有比表面积大、孔隙结构丰富、导电性能优异，在电催化领域具有重要的应用。

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种多孔石墨碳包覆钴纳米粒子的析氢催化剂及其制法，解决了钴纳米粒子会受到电解液的腐蚀的问题，同时解决了钴纳米粒子容易团聚的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多孔石墨碳包覆钴纳米粒子的析氢催化剂，其特征在于：包括以下原料及组分，羟基联萘多孔聚合物、钴源，质量比为100:15-30。

优选的，所述钴源为硫酸钴、乙酸钴或硝酸钴的任意一种。

优选的，所述多孔石墨碳包覆钴纳米粒子的析氢催化剂制备方法包括以下步骤：

(1)向反应瓶中通入氮气，加入三乙胺溶剂、(S)-6,6'-二氯-4,4'-二溴-2,2'-二乙氧基-1,1'-联-2-萘酚、2-甲基-3-丁炔-2-醇、催化剂三苯基膦、助催化剂碘化亚铜，加热回流反应，制备得到羟基丁炔中间体偶联产物。

(2)将羟基丁炔中间体偶联产物置于甲苯溶剂中，加入氢氧化钾，加热回流反应，制备得到(S)-6,6'-二氯-4,4'-二乙炔基-2,2'-二乙氧基-1,1'-联-2-萘酚。

(3)向反应瓶中通入氮气，加入N,N-二甲基甲酰胺和三乙胺混合溶剂，加入1,3,5-三(4-碘苯基)苯、(S)-6,6'-二氯-4,4'-二乙炔基-2,2'-二乙氧基-1,1'-联-2-萘酚、三苯基膦和碘化亚铜，加热回流反应，制备得到乙氧基联萘多孔聚合物。

(4)向反应瓶中加入二氯甲烷溶剂和乙氧基联萘多孔聚合物，加入三溴甲烷进行反应，制备得到羟基联萘多孔聚合物。

(5)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、羟基联萘多孔聚合物和钴源，进行吸附过程。

(6)将溶液减压蒸馏除去溶剂，固体混合产物置于气氛电阻炉中，进行热裂解过程，制备得到多孔石墨碳包覆钴纳米粒子的析氢催化剂。

优选的，所述步骤(5)中的吸附过程在20-40℃下进行，吸附时间为6-48h。