[发明专利]一种钴掺杂泡沫碳热解衍生碳材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种钴掺杂泡沫碳热解衍生碳材料及其制备方法，该碳材料制备方法如下：1)合成钴掺杂的泡沫碳：将六水合硝酸钴与蔗糖粉末混合均匀，油浴加热得到蔗糖和硝酸钴的液态混合物后，快速置于鼓风干燥箱中干燥得到钴掺杂的泡沫碳；2)合成钴掺杂泡沫碳热解衍生碳材料：将步骤1)所得钴掺杂的泡沫碳均匀铺展在瓷舟中，然后置于管式炉中，在保护气氛下进行热解处理并冷却至室温得到钴掺杂泡沫碳热解衍生碳材料。本发明提供的钴掺杂泡沫碳热解衍生碳材料具有高效的电催化析氧性能，稳定性高，在碱性介质中具有优异的析氧反应耐久性。

技术领域

本发明属于包含金属或金属氧化物或氢氧化物的催化剂技术领域，具体涉及一种钴掺杂泡沫碳热解衍生碳材料及其制备方法。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，当前国际能源危机和环境污染问题迫在眉睫，开发可再生清洁能源已经成为重要的研究课题。电解水生成氢气和氧气为储存太阳能，风能等间歇性能源提供了一种可能。然而，由于析氧反应缓慢的动力学过程，电解水需要的电压大大高于电解水的热力学电势。目前活性最高的析氧反应催化剂是RuO₂和IrO₂，但是这些贵金属非常稀缺，无法进行大规模的应用。因此，发展高效且廉价的析氧催化剂至关重要。

近年来，过渡金属氧化物尤其是钴的氧化物因其资源丰富，催化性能优良而备受关注。但是单纯的氧化钴以及其他钴掺杂催化剂相比于RuO₂和IrO₂仍然存在催化电流密度低，过电势较高，稳定性较差，合成过程复杂等问题，在此基础上，本申请提供了一种钴掺杂泡沫碳热解衍生碳材料，合成方法简单，且相比RuO₂析氧催化性能得到大幅度提升，具有极大的应用推广价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种钴掺杂泡沫碳热解衍生碳材料及其制备方法，该钴掺杂泡沫碳热解衍生碳材料制备方法简单，并且该催化剂具有高效的析氧催化性能，在1.0M KOH溶液中电流密度为10mA·cm^-2时析氧过电位低至319mV，而且催化稳定性较高，在电流密度为10mA·cm^-2的1.0M KOH溶液中循环进行1000次催化析氧后电催化产氧(OER)性能仅有少量衰减。

根据本申请的一个方面，本发明提供了一种钴掺杂泡沫碳热解衍生碳材料，其制备方法步骤如下：

1)合成钴掺杂的泡沫碳：将六水合硝酸钴与蔗糖粉末混合均匀，油浴加热得到蔗糖和硝酸钴的液态混合物后，快速置于鼓风干燥箱中干燥得到钴掺杂的泡沫碳；

2)合成钴掺杂泡沫碳热解衍生碳材料：将步骤1)所得钴掺杂的泡沫碳均匀铺展在瓷舟中，然后置于管式炉中，在保护气氛下进行热解处理并冷却至室温得到钴掺杂泡沫碳热解衍生碳材料(Co@C)。

按上述方案，步骤1)所述六水合硝酸钴与蔗糖粉末的质量比为2～3：1。

按上述方案，步骤1)油浴加热温度为110～120℃，油浴加热时间为6～7min。

按上述方案，步骤1)置于鼓风干燥箱中干燥温度为175～185℃，干燥时间为8～10min。

按上述方案，步骤2)所述热解处理工艺条件为：室温下以5℃/min的升温速率升温至400±50℃，保温1h，保护气为H ₂与Ar的混合气体，气体流速为100～200cc/min，H₂与Ar的混合气体中H₂体积百分比为5～10％。

根据本申请的第二个方面，本发明提供了上述钴掺杂泡沫碳热解衍生碳材料的制备方法，具体步骤如下：

1)合成钴掺杂的泡沫碳：将六水合硝酸钴与蔗糖粉末混合均匀，油浴加热得到蔗糖和硝酸钴的液态混合物后，快速置于鼓风干燥箱中干燥得到钴掺杂的泡沫碳；