[发明专利]一种高性能钴基析氧电催化纳米材料的制备方法与应用

说明书

本发明以具有高导电性能的泡沫镍为基底，首先通过溶剂热法，在泡沫镍上生长出层状排列的结构为Co₂(OH)₃Cl前体材料；随后再加入邻氨基对苯二甲酸等作为配体，通过溶剂热法进行配体转换反应，合成了具有超薄结构的金属有机框架(MOF)纳米片CoMOF‑NH₂。最后通过在高温下的惰性气氛中进行可控热处理，得到了一种具有高效OER催化性能的多孔纳米片Co₃O₄/NC。Co₃O₄/NC在1M KOH电解中仅需235mV和264mV的过电位就达10mA/cm²和100mA/cm²的电流密度，并且塔菲尔斜率仅为80mV/dec，长时间使用后性能仍保持稳定。

技术领域

本发明涉及新材料技术和电催化领域，属于纳米材料领域。具体的说，涉及钴基析氧电催化纳米材料及其合成方法，其合成的钴基析氧电催化剂(Co₃O₄/NC)具有新颖的结构和优异的电化学性能。

背景技术

不断增加的能源危机以及化石燃料过度燃烧等相关的环境问题引起了对清洁和可持续替代能源的广泛研究。最近，水的电解已经成为实现化学形式的有效能量转换和储存的最有前景的方法之一。作为水电解的半反应，析氧反应(OER)涉及多电子转移过程，并与各种可再生能源系统如太阳能电池，金属空气电池和燃料电池等相关联。然而，析氧反应的动力学缓慢，并且需要高过电位来驱动该反应。到目前为止，金属氧化物是析氧反应最活跃、最耐用的电催化剂，其中贵金属铱(Ir)和钌(Ru)氧化物被认为是酸性和碱性介质中最好的析氧反应催化剂。然而，昂贵的价格和元素稀缺性极大地阻碍了它们的大规模应用。因此，非常希望设计和开发具有优异催化活性和耐久性的高效，低成本且地球上储量丰富的析氧反应电催化剂。

对于非均相电催化过程如析氧反应，电催化剂的活性不仅取决于其固有组成和电导率，而且还受电极几何形状，结构孔隙率，可接近的活性中心和所用催化剂的界面偶联的影响。因此，通过将活性物质结合到三维多孔导电基底上直接构建成电催化剂在电催化反应中引起了极大的关注。与在玻碳电极上制造的二维平面电催化剂相比，具有三维多孔导电结构的电极具有几个关键优势：优异的导电性可以促进电子传输；大的电化学活性表面和完全暴露的活性位点可以提高电催化活性，从而加速电催化剂的反应速率；多孔骨架有利于电解质的渗透和气泡的脱离过程。虽然目前为止已经开发了许多3D多孔电催化剂，并且对OER表现出优异的电催化性能，但是将金属有机框架(MOF)置于导电基底上以构建用于OER催化的3D电极仍然是一个巨大的挑战。

使用MOF为前体，通过简单的热解可以转化为具有高效电催化特性的金属-碳-氮材料。可以通过选择合适的含氮前驱物及调节热解温度来调节金属碳氮结构及其中氮的化学态。通过合成形状均匀且比表面积大，从而暴露大量催化活性位点的纳米材料催化剂仍是一个挑战。为此，提出本发明。

发明内容

针对上述现有技术中的缺点和不足，本发明提供一种高性能钴基析氧电催化纳米材料，其独特的由纳米粒子相互连接而形成的纳米片状暴露了大量的OER活性位点，也极大增加了电极材料与电解液的接触面积，从而提高了电催化性能。本发明通过水热法和煅烧法相结合的方法合成了钴基纳米复合材料，该制备方法工艺简单，高效，原料来源丰富且成本低廉，制得的电催化材料作为电化学析氧催化剂表现出良好的电化学性能。

本发明还提供了上述高性能钴基析氧电催化纳米材料的制备方法、以及其在电催化析氧方面的应用。

本发明的技术方案如下：

一种高性能钴基析氧电催化纳米材料，该材料由生长在泡沫镍基底上的纳米Co₃O₄与氮碳材料复合而成(标记为Co₃O₄/NC)，具有独特的由Co₃O₄纳米粒子通过氮杂碳相互连接而形成的层片状结构，纳米片状的厚度为4～7nm。