[发明专利]磷化钴分级多孔纳米线材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种磷化钴分级多孔纳米线材料及其制备和在电解水制氢反应中的应用。所述磷化钴分级多孔纳米线材料中，磷化钴纳米线内分布大量气孔，形成分级多孔结构。制备方法：首先合成碱式碳酸钴纳米线，然后进行可控磷化，磷化与气孔形成同时进行。本发明可降低磷化钴的析氢过电位，提高电催化活性和稳定性。磷化钴分级多孔纳米线作为电催化材料具有重要的应用价值，本发明的方法简单，高效，可大规模使用。

技术领域

本发明涉及电催化技术领域，具体涉及一种磷化钴分级多孔纳米线材料及其制备和应用。

背景技术

能源和环境问题是当今社会发展面临的主要问题，开发新的、可循环利用的清洁能源是解决这一问题的有效措施。和其它能源相比，氢能燃烧值高，无污染，可再生，是替代传统化石燃料的理想清洁能源。虽然现在有很多种制氢方法，比如化石燃料制氢，但存在流程复杂、能耗大、污染环境等问题，或者光催化制氢，但存在转换效率低下等不足。

电解水制氢(HER)具有环保、简单、制氢纯度高等优点，因此吸引了广泛关注。在传统的HER催化材料中，铂等贵金属的析氢性能最佳，但价格昂贵限制了应用，因此迫切需要开发性能优良且廉价的电催化材料来替代。

过渡金属储量丰富、成本低、化学稳定性好，氢吸附吉布斯自由能接近于零；磷容易吸引过渡金属的电子且有利于氢气脱附，因此过渡金属磷化物被认为是一类有望替代贵金属的潜在电催化材料。研究发现磷化钴性能接近于贵金属铂，特别是在酸性介质中表现出高的电催化析氢活性和稳定性，是一种优良的电催化材料。

磷化钴的电催化活性与其材料尺寸和比表面积密切相关，构建各种分级纳米结构成为磷化钴电催化材料的主要研究方向。目前大部分分级纳米结构主要通过硬模板法或软模板法制备。硬模板法去除模板困难，模板去除后产物结构容易塌陷；软模板法结构稳定性较差，合成效率低下。此外，模板法工艺较为复杂，成本较高。

因此，开发简单、高效、可控的方法制备高性能的分级纳米结构磷化钴还有待新的突破。

发明内容

针对上述技术问题和本领域存在的不足之处，本发明提供了一种磷化钴分级多孔纳米线材料。

一种磷化钴分级多孔纳米线材料，在磷化钴纳米线内部分布大量气孔，形成分级多孔结构。

作为优选，磷化钴纳米线的直径为20-350nm，长度0.4-5μm。

本发明还提供了所述的磷化钴分级多孔纳米线材料的优选制备方法，包括步骤：

(1)将CoCl₂·6H₂O和尿素溶于去离子水，加热至30-50℃并保温，然后在搅拌下将预热至60-70℃的油胺加入到上述保温溶液中，混合均匀后将所得混合液于170-200℃进行溶剂热反应，所得固体产物经后处理即得碱式碳酸钴纳米线Co(OH)_x(CO₃)_y，x＞0，y＞0，且x+2y＝3；

(2)将步骤(1)得到的碱式碳酸钴纳米线与NaH₂PO₂混合均匀后于氩气保护下以3-10℃/min的速率加热到400℃并保温0.5-3h，自然冷却，去离子水清洗产物数次，烘干，得到所述磷化钴分级多孔纳米线。

本发明首先合成碱式碳酸钴纳米线，然后进行可控磷化，磷化与气孔形成同时进行。

作为优选，步骤(1)中，所述CoCl₂·6H₂O、尿素、去离子水和油胺的比例为0.356g:0.068g:37mL:2.25mL，所述保温的时间为30min，所述溶剂热反应的时间为1-24h，所述后处理包括：所得固体产物冷却至室温后，离心分离，用水和乙醇清洗数次，冷冻干燥。