[发明专利]一种富含氧空位的一氧化钴/铁酸钴纳米片阵列结构催化剂及其制备与应用

说明书

一种富含氧空位的CoO/CoFe₂O₄纳米片阵列结构催化剂，按如下方法制备得到：将钴盐与铁盐的混合溶液与有机配体溶液混合，加入预处理后的泡沫镍基底，于100～140℃下水热反应1～6h，之后取出泡沫镍，经洗涤干燥后即在泡沫镍基底上得到前驱体材料；将所得负载有前驱体材料的泡沫镍放入管式炉中，同时放入还原剂硼氢化钠粉末，在惰性气体保护下升温至250～450℃煅烧0.5～4.5h，得到CoO/CoFe₂O₄纳米片阵列结构催化剂；本发明制备方法操作简单，重现性好，成本低廉且环境友好，将所制备的CoO/CoFe₂O₄催化剂材料用于析氧反应，在碱性溶液表现出较低的过电位，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米结构功能材料和电催化析氧技术领域，涉及一种富含氧空位的一氧化钴/铁酸钴(CoO/CoFe₂O₄)纳米片阵列结构催化剂及其制备方法和在电催化析氧反应中的应用。

背景技术

化石能源的快速枯竭刺激了清洁和可持续能源储存与转换技术的探索。就目前而言，电力驱动的水分解生产氢气和氧气被认为是实现清洁可再生能源最有利的选择之一。其中，析氧反应(OER)因其在再生燃料电池、可充电金属氧电池、水分解等新一代可再生能源的转换和存储设备中充当着重要角色而备受关注。然而OER固有的迟缓动力学严重阻碍了上述能源技术的发展。为了提高反应动力学，需要高效的电催化剂来克服反应能垒，保证快速的电子和质量传输，从而提高能源效率。目前最先进的OER电催化活性材料是贵金属氧化物(如IrO₂/RuO₂)，其储量有限且价格昂贵，极大制约了大规模的商业应用。因此，迫切需要开发设计高效的低成本非贵金属电催化剂。

在各种非贵金属催化剂中，3d过渡金属氧化物/氢氧化物(Fe、Co、Ni等)被认为是碱性介质中最常见且最稳定的OER催化剂，但其较差的电导率这一劣势极大地限制了其电催化性能。缺陷工程被认为是改善材料电子结构与物化性质最有效方法之一。合理构筑缺陷不仅有助于离子扩散和电荷转移，而且能为金属离子或中间体提供更丰富的反应活性位点，还能提高材料的灵活性、稳定性，对整体电化学性能的提高起着至关重要的作用。氧空位(Oxygen Vacancy)是最常见的阴离子缺陷，氧原子的缺失，产生更多的悬挂键以改变材料的电子结构，有利于提升材料的电导率，加速电子的快速传输，同时有利于OH^-的吸附，加快OER动力学过程，进而提高电催化活性。此外，相比于单金属化合物，双金属的存在可以使氧化还原反应多样化，并产生金属阳离子的协同效应，进一步改善电催化剂的催化活性和稳定性。

金属有机骨架(MOFs)材料是一类由金属离子/团簇和多功能有机配体连接而成的多孔结晶性材料，具有开放的晶体结构、优异的孔隙率、灵活的结构和可调的功能。我们以钴铁双金属有机骨架材料为前驱体，通过在含还原剂的保护性气氛中煅烧的方法引入氧空位，制备富含氧空位的钴铁双金属氧化物纳米片阵列结构电催化剂复合材料CoO/CoFe₂O₄，在碱性体系下，该材料具有优异的电催化析氧性能和催化稳定性。

发明内容

本发明提供了一种富含氧空位的CoO/CoFe₂O₄纳米片阵列结构催化剂及其制备方法，并将其应用于电催化析氧反应中。

本发明以钴铁双金属骨架化合物为前驱体，在含还原剂的惰性气体氛围中以煅烧的方式引入氧空位，制备富含氧空位的CoO/CoFe₂O₄纳米片阵列结构电催化剂材料。氧空位的引入有效调控金属氧化物材料的电子结构和载流子浓度，提高本征电导率和氧化还原反应的多样性。同时，得益于双金属的协同效应，进一步优化了电催化活性。

本发明的制备方法具有工艺简单、耗时短、成本低廉等优点。采用该类材料作为析氧反应电极，在碱性体系中表现出了优异的析氧催化性能和催化稳定性，有望成为一种新的电催化剂材料。