[发明专利]一种富氧空位钴酸铜修饰碳纳米管的电极催化剂

说明书

本发明公开了一种富氧空位钴酸铜修饰碳纳米管电极催化剂，其制备方法包括以下步骤：将六水合氯化钴和氯化铜混合到含有氨水的乙醇溶液，加入羟基碳纳米管混合并分散得前驱体混合溶液，对其油浴反应和水热反应，而后进行过滤、洗涤和干燥，而后将所的固体进行等离子体处理即可。本发明中的电极催化剂为基于碳纳米管负载具有高本征活性的富氧空位钴酸铜纳米颗粒，具备优良的氧析出催化性能。该制备方法简单，成本低廉，易于推广。

技术领域

本发明属于新能源和新材料应用技术领域，具体涉及一种富氧空位钴酸铜修饰碳纳米管析氧反应电极催化剂的制备方法及应用。

背景技术

在碱性条件下，钴酸铜催化剂能有效降低OER过电势并展现出一定的催化活性。然而与IrO₂和RuO₂这类高活性的OER反应催化剂还有所差距，难以进行实际的应用生产。有研究用羟基碳纳米管耦合钴酸铜构筑电子传输通道并增加活性位点数量，但催化反应的过电势始终较大。因此，想要实现钴酸铜修饰碳纳米管催化剂的析氧反应应用，就要深入研究如何生成高尖晶石型氧化物自身的本征活性和提升活性位点密度。

发明内容

针对现有技术中存在的一些不足，本发明提供一种富氧空位钴酸铜修饰碳纳米管析氧反应电极催化剂的制备方法。包括以下步骤：

(1)将六水合氯化钴和氯化铜混合到含有氨水的乙醇溶液，加入羟基碳纳米管并得到分散的前驱体混合溶液；称取0.05g羟基碳纳米管oCNT、0.05～1mmol六水合氯化钴与0.025～0.5mmol的氯化铜置于100mL圆底烧瓶中，并使六水合氯化钴与氯化铜的摩尔比为2：1，再加入0.8mL氨水和70mL无水乙醇后超声30min进行分散混合。

(2)将圆底烧瓶置于80℃油浴锅中回流16小时进行热处理，反应后转移到100mL水热反应釜中，在140℃烘箱中进一步反应3小时。待到常温，在50℃烘箱干燥4小时后收集样品。

(3)将所收集样品置于管式炉中，通入高纯氩气(99.999％，气流速度为120mL h-1)作为等离子体气氛，抽真空降低压力到100Pa，开启等离子体处理(射频源为13.56MHz，处理功率250W)等离子体处理反应时间为1～10分钟，即可获得富氧空位钴酸铜修饰碳纳米管电极催化剂。

优选地，步骤(1)中所用六水合氯化钴为0.2mmol，氯化铜为0.1mmol；

优选地，步骤(3)中等离子体处理反应时间为5分钟；

作为本发明的另一目的，本发明提供富氧空位钴酸铜修饰碳纳米管电极催化剂应用在电化学析氧反应中。

本发明的有益效果是：

1.本发明使用羟基碳纳米管材料为载体，与高本征活性的富氧空位钴酸铜尖晶石材料耦合构筑异质界面，使得材料具备高效的催化析氧反应性质。相比于贵金属，富氧空位钴酸铜修饰碳纳米管既是性能优良的催化剂，同时具有更低的成本。

2.表面氧空位能增加Co活性位点的亲电性，有效调节其对OH^-的吸附能，更容易形成金属—OH*，在较低的过电位下促进去质子化过程，进而在表面形成活性氧物种Co-OOH*，提升电化学析氧反应催化活性。

3.本发明所得富氧空位钴酸铜修饰碳纳米管经历1000次循环稳定性测试仍保持高催化活性。

附图说明

图1为实施例1～3以及对比例1～2中的电极催化剂的反应线性伏安曲线。

图2为实施例1～3的析氧反应塔菲尔斜率。

图3为实施例2和对比例1的形貌表征。其中图3a为对比例1CuCo₂O₄-oCNT扫描电镜图，图3b为实施例2V-CuCo₂O₄-oCNT-2的扫描电镜图。