[发明专利]一种钒掺杂的三维介孔Co3

说明书

本发明公开了一种钒掺杂的三维介孔Co₃O₄纳米催化剂及其制备方法和应用。该方法包括以下步骤：(1)将钴盐与钒盐以摩尔比为1:0～1的比例均匀分散至甘油溶液中，于180～200℃反应20～24h制得前驱体；(2)于200～800℃热处理前驱体1～2h，制得钒掺杂的三维介孔Co₃O₄纳米棒。本发明利用钒掺杂改变Co₃O₄的电子分布状态，优化处于八面体位点的Co³⁺的e_g轨道电子填充数目达到趋近于1，从而展现出优异的双功能氧催化活性，在多种涉及电催化氧还原或析氧反应的清洁能源转化方式(例如燃料电池、金属‑空气电池)中具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于能源转换与存储领域，具体涉及一种钒掺杂的三维介孔Co₃O₄纳米催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着气候变化和能源短缺问题日益突出，清洁能源的研究和开发在未来几十年中至关重要。许多用于清洁能源转换的先进技术，例如燃料电池，电解水制氢气，金属空气电池和二氧化碳转化，都具有重要的基础研究及经济发展意义。这些能量转换技术的核心是一系列电化学过程，包括分别在氢氧燃料电池的阴极和阳极上发生的电催化氧还原反应和氢氧化反应；在电解水装置的阴极和阳极分别产生气态分子氢和氧的析氢反应和析氧反应；在二氧化碳还原、一氧化碳氧化、金属空气电池及甲烷化反应中涉及的基础反应(氧还原或析氧反应)。作为一种典型的尖晶石材料，Co₃O₄中多价阳离子(四面体配位的Co²⁺、八面体配位的Co³⁺)的存在有利于O₂的可逆吸附，而且，电子在阳离子之间移动的活化能比单一金属氧化物的活化能低，因此其电导率更有利于电催化反应。在尖晶石材料中，八面体配位的金属阳离子的e_g轨道与O 2p轨道空间重叠程度最高，主导表面金属阳离子与吸附的氧中间体之间的电子传输，因而e_g轨道的电子填充度被视为判断尖晶石材料的氧还原和析氧反应催化活性的重要指标。研究发现，e_g轨道填充数目约为1时，可平衡尖晶石材料的氧还原或析氧反应的限速步骤，使催化活性得到优化。虽然Co₃O₄块体材料与氧的共价作用力较强，但受限于e_g轨道填充数目为0，其对氧还原和析氧反应的催化性能都有待提升。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种钒掺杂的三维介孔Co₃O₄纳米催化剂及其制备方法和应用，本发明利用钒掺杂改变Co₃O₄的电子分布状态，优化处于八面体位点的Co³⁺的e_g轨道电子填充数目达到趋近于1，从而展现出优异的双功能氧催化活性，在多种涉及电催化氧还原或析氧反应的清洁能源转化方式，例如燃料电池、金属-空气电池中具有广阔的应用前景。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种钒掺杂的三维介孔Co₃O₄纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钴盐与钒盐以摩尔比为1:0～1的比例均匀分散至甘油溶液中，于 180～200℃反应20～24h制得前驱体；

(2)于200～800℃热处理前驱体1～2h，制得钒掺杂的三维介孔Co₃O₄纳米棒。

进一步地，甘油溶液中钴盐的终浓度为0.017～0.033mol/L；钒盐的终浓度为 0～0.017mol/L。

进一步地，钴盐为带有结晶水或无水的钴盐；所述钴盐为硝酸钴、硫酸钴、氯化钴、醋酸钴、卤化钴以及其衍生品或六水合二氯化钴。