[发明专利]一种电催化双功能氮掺杂碳负载碳包覆磷化钴核壳纳米材料的制备方法

说明书

一种电催化双功能氮掺杂碳负载碳包覆磷化钴核壳纳米材料的制备方法。首先将六水合硝酸钴和2‑甲基咪唑分别溶于甲醇中得A、B溶液；将B溶液倒入A溶液中磁力搅拌、无水乙醇离心洗涤真空干燥得到ZIF‑67粉体；将ZIF‑67粉体分散于无水乙醇中再分别加入植酸乙醇、三乙胺进行超声、无水乙醇离心洗涤真空干燥得到前驱体PA‑ZIF‑67；将前驱体PA‑ZIF‑67氢氩混合气的管式炉中烧结得电催化双功能氮掺杂碳负载碳包覆磷化钴核壳纳米材料。本发明合成的氮掺杂碳负载碳包覆磷化钴核壳纳米材料由于其氮掺杂的碳基底具有极高的电导率，磷化钴中碳的掺杂与其形成了相互交错包覆的结构，提供结构保护的同时也提高了电导率，使其具有高效率的电催化性能的同时也具有较好的稳定性。

技术领域

本发明属于电解水和燃料电池的技术领域，具体涉及一种应用于电解水产氢和燃料电池的具有电催化双功能氮掺杂碳负载碳包覆磷化钴核壳纳米材料的制备方法。

背景技术

能源危机和环境污染是目前全球面对的两个重大问题，传统的化石能源主要包括石油、煤炭以及天然气，这些能源物质不可再生并且在消耗的同时会产生环境污染。为了解决目前这两个问题，可再生能源，新型储能和能源转换技术发展受到广泛关注。氢气具有高热值、燃烧产物无污染并且可再生，是一种很理想的替代能源；燃料电池技术因其能够轻松将化学能转化为高功率密度的电能而备受关注。

目前工业制氢方法主要有电解法、烃类裂解法、烃类蒸汽转化法等方法，其中电解水制氢法具有原理相对简单，安全可靠，制取氢气纯度较高，电解水不会产生其他有害副产物，不会污染环境的优势。随着近些年来科技的发展，传统的发电方式不再是唯一的选择，各种新型发电方式开始涌现，比如大自然中的风力、水力、地热能和潮汐能均可用来发电，转换为电能，这些电能供应之外的富余电能又可以用来电解水产氢产氧。综上所述，电解水制氢是一项可靠绿色的制氢技术。燃料电池作为一种新型的能源转换装置，可以将甲醇、氢气、氧气等化学能转换为电能，具有相当高的理论能量密度，且不会对环境造成污染。电解水产氢技术和燃料电池主要涉及的反应分别为析氢反应(HER)和氧还原反应(ORR)，但是，由于较高的能量势垒和缓慢的动力学过程限制了析氢反应(HER)和氧还原反应(ORR)，所以需要相应的催化剂来提高反应速率。

目前电解水技术比较成熟的HER和ORR电催化剂主要是铂族电催化剂，但是由于其高昂的成本和资源的稀缺性，需要开发非贵金属电催化剂。过渡金属磷化物具有与氢化酶相似的结构，催化剂中带负电荷的P原子能够捕获质子，并作为H₂解离的位点，也是氧气分子还原成氢氧根的活性位点，并且过渡金属具有储量高和成本低等优势，其作为非贵金属电催化剂具有很好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单，原料成本低廉，同时又具有稳定的电催化产氢性能和氧还原性能的电催化双功能氮掺杂碳负载碳包覆磷化钴核壳纳米材料的制备方法，所制备的氮掺杂碳负载碳包覆磷化钴核壳纳米材料具有极高的比表面积、孔隙率和高的电导率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)首先按物质的量之比Co(NO₃)₂·6H₂O：C₆H₆N₂＝1:(2～4.5)取分析纯的六水合硝酸钴和分析纯的2-甲基咪唑，然后取等量的分析纯的甲醇为溶剂，将Co(NO₃)₂·6H₂O制成浓度为0.12～0.15mol/L的A溶液，将2-甲基咪唑配制成B溶液；

2)将B溶液倒入A溶液中形成C液并用保鲜膜密封，磁力搅拌后，采用无水乙醇离心洗涤，将产物真空干燥得到ZIF-67粉体；