[发明专利]一种空心碳管复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种空心碳管复合材料及其制备方法与应用。本发明采用高温煅烧法制备负载Co纳米粒子的空心碳管复合材料，原材料棉花经高温烧制后形成规则的空心碳管状形貌，具有独特的中空结构，具有较大的表面积，较强的传质能力。过渡金属Co比Pt便宜得多，Co对氢离子和含氧中间体均具有优异的吸附能力。所制备的空心碳管复合材料是一种OER和HER双功能高活性电催化剂，可以加速电解质在催化剂表面的渗透性，可用于电催化碱性环境全水解。在能源及环境领域有良好的应用前景。本发明工艺简单、操作方便、反应时间较短，降低能耗和生产成本，便于批量生产，无毒无害，符合环境友好要求。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种空心碳管复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着日益严重的全球能源危机，氢能因其高能量密度和清洁无污染的特性而引起人们的关注。现有的制氢技术中，水电解是提供无碳，高纯度且可持续的产氢途径。近年来，为避免在水电解中使用昂贵且稀缺的贵金属催化剂（Pt、Ir和Ru等贵金属），将非贵金属催化剂用于析氧反应（OER）和析氢反应（HER）。但是，全水解的耗电量瓶颈约1.8 V，远高于1.23 V的理论值，并且对非贵金属催化剂的效率仍然很低。众所周知，影响水充分分解的原因是由缓慢的阳极OER和相当容易的阴极HER引起的。因此，为了将全水解工艺实际应用到氢生产，迫切需要精心设计具有高活性，优异的稳定性，低成本和易于合成的OER和HER双功能电催化剂。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的目的在于提供一种负载Co纳米粒子的空心碳管复合材料及其制备方法与应用。本发明通过在经高温烧制后的棉花表面负载Co纳米粒子，形成具有独特的中空结构的空心碳管复合材料Co/KF。是一种OER和HER双功能高活性电催化剂。

本发明提供一种负载Co纳米粒子的空心碳管复合材料Co/KF，所述的Co/KF为中空结构，Co纳米粒子负载在空心碳管的外壁。

本发明还提供一种负载Co纳米粒子的空心碳管复合材料Co/KF的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）将棉花加入到NaClO₂溶液中，磁力搅拌后将得到的悬浮液，在一定温度下回流，抽滤、洗涤，干燥得到空心碳管棉花；

（2）将步骤（1）中得到的空心碳管棉花浸入到CoCl₂溶液中，浸润一段时间后干燥，在氢氩混合气体中加热煅烧，得到负载Co纳米粒子的空心碳管复合材料Co/KF。

进一步的，步骤（1）中NaClO₂溶液的浓度为l~3 wt %。

步骤（1）中所述的一定温度为100~150 ℃，所述回流的时间为3 ~5h。

步骤（1）中所述的干燥的温度为50~60℃，干燥的时间为大于等于8h。

步骤（2）中所述CoCl₂溶液的浓度为3~5wt %，所述空心碳管棉花与CoCl₂溶液的用量比为0.9g：10~21 ml。

步骤（2）中所述加热煅烧为在氢氩混合气体中以2~5 ℃ min^-1的升温速率，从室温加热至700~900 ℃，煅烧3~5 h。

本发明还提供了上述负载Co纳米粒子的空心碳管复合材料Co/KF在全水解领域中的应用。进一步地，所述的应用为电催化碱性环境中的全水解。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：