[发明专利]一种钴/碳纳米管/钌电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种钴/碳纳米管/钌电催化剂及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：利用溶菌酶辅助钴基沸石咪唑酯骨架前驱体裂解得到包裹钴纳米粒子的竹节状碳纳米管，进一步将钌纳米团簇均匀锚定到竹节状碳纳米管表面，得到具有三相异质结构的钴/碳纳米管/钌复合材料。与现有技术相比，本发明所得复合材料由于其独特的碳管内外表面分别负载钴和钌异质结构以及各组分的协同效应，有助于暴露更多的活性位点、提升荷/质传输性能以及优化对氢的吸附能，因此钴/碳纳米管/钌复合材料在全pH的电解液中展现了优异的水分解析氢反应催化活性，并具有较强的稳定性。本发明所得复合材料制备所用原料成本低，工艺简单，反应能耗低。

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种钴/碳纳米管/钌电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着环境问题的日益严峻和能源紧缺问题的加剧，可再生能源的存储与转化技术成为了近年来的研究重点。氢能凭借高的能量密度，清洁环保以及储存形式多样化等优点被认为是理想的能量载体。在已有的制氢方法中，电解水产氢表现出了极大的潜能，尤其是结合太阳能、风能等新能源作为中间过渡能源转化电能供给于电解水装置，然而，水电解过程中在阴极上发生的析氢反应反应热力学和动力学较慢，导致在电解水析氢反应(HER)的过程中需要较高的过电势。因此，需要开发具有高催化活性和稳定性以及成本低廉的电催化剂来提高电解水效率，为未来发展可持续清洁氢能提供研究基础。目前金属铂是析氢反应电催化剂中最有效的一种，但是由于铂在自然界的储备有限，成本较高严重阻碍了它们的广泛应用。

因此，为了寻找替代铂的析氢反应电催化剂，研究者们也进行了大量的研究。其中过渡金属-碳体系因其成本较低，电子结构可调而受到广泛的关注。不过目前现有的过渡金属-碳体系的析氢反应活性仍然较低，特别是在酸性、碱性和中性的全pH电解液中，过渡金属-碳体系的析氢反应催化活性远不如贵金属铂碳催化剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种钴/碳纳米管/钌电催化剂及其制备方法和应用，以克服低效、pH适用范围窄、催化活性低、稳定性差、高成本、难于工业化生产的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种钴/碳纳米管/钌电催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将钴盐水溶液加入溶菌酶水溶液中，混合均匀，之后将二甲基咪唑水溶液加入混合溶液中，搅拌均匀后静置并分离干燥，得到二甲基咪唑钴盐/溶菌酶；

(2)将得到的二甲基咪唑钴盐/溶菌酶在惰性气体中加热保温，得到钴/碳纳米管；

(3)将得到的钴/碳纳米管分散于分散剂中密封，加热搅拌后，加入钌盐，搅拌过夜后分离干燥，再在惰性气体中加热保温，得到钴/碳纳米管/钌电催化剂。

进一步地，步骤(1)中，所述的钴盐水溶液中的钴盐为氯化钴、六水合氯化钴、硝酸钴或六水合硝酸钴，所述的钴盐、溶菌酶、二甲基咪唑的用量比为(1～3mmol):(100～300mg):(0.07～0.2mol)。

进一步地，步骤(1)中，所述的钴盐水溶液的浓度为0.05～0.2mol/L，所述的溶菌酶水溶液的浓度为1～2g/L，所述的二甲基咪唑水溶液的浓度为1～3mol/L，静置温度为室温，静置时间为20～30h。

进一步地，步骤(2)中，所述的惰性气体为氮气，所述的加热保温分为两段过程，第一段加热温度为500～600℃，保温时间为2～4h，第二段加热温度为850～950℃，保温时间为2～4h。

进一步地，步骤(3)中，所述的分散剂为无水乙醇，所述的钌盐为三水合氯化钌，所述的钴/碳纳米管、分散剂、钌盐的用量比为(30～100mg):(20～60mL):(3～10mg)，加热搅拌过程中，加热温度为50～70℃，搅拌转速为300～400rpm，搅拌时间为20～40min。