[发明专利]一种原位生长在N-C骨架内的Co4

说明书

本发明公开了一种原位生长在N‑C骨架内的Co₄N量子点电极材料的制备方法，包括下述步骤：首先将碳布用丙酮、盐酸、去离子水、乙醇进行预处理和超声清洗，惰性气氛保护下干燥后将预处理的碳布涂上一定量的氯化钴和丙二酸经加热得到的透明均匀溶液，置于石英舟中，在管式炉加热上游区另一石英舟中加入1.0‑100.0g尿素，在N₂气氛下以1‑10℃·min^‑1升温至700‑900℃保温1‑6h。在宽pH具有优异的HER、OER和全解水性能和稳定性。对有机精细化学品也有很好的电催化氧化选择性。对电催化氧化甲醛也有很好的催化活性。通过电催化氧化用于工业排放的有害气体H₂S，CO，NO，NH₃及汽车尾气的绿色净化。

技术领域

本发明属于电催化材料领域，涉及一种原位生长在N-C内的Co₄N量子点电极材料的制备方法，具体地说，是涉及一种用于全pH值电解水制氢、制氧的嵌于N掺杂碳骨架中的Co₄N量子点原位生长在碳布上的自支撑复合电极的制备方法。

背景技术

近年来，由于氢气新能源产业的不断发展，电解水制氢技术的开发应用越来越受到科研人员的重视。如何制备一种性能高效、价格低廉、能在宽pH值范围应用的电催化材料成为氢能生产应用的关键，在诸多电催化材料中，贵金属Pt基催化剂是水分解析氢反应(HER)最高效的电催化剂，而IrO₂和RuO₂对水分解析氧反应(OER)展现出了最优的催化效率，但是，有限的资源及过高的成本制约了这些贵金属催化剂在市场上的大量应用。因此，合成并且开发新型高效的非贵金属多过渡金属化合物催化剂，以取代资源稀少价格高的贵金属催化剂，对于电解水制备清洁的氢气新能源应用有着重要的研究意义。然而这些催化剂也和贵金属催化剂一样，常常只能进行单一的催化反应，有的在析氢反应中表现出优异的性能而在析氧反应中性能一般，难以在同一种电解质溶液中同时在析氢反应和析氧反应中表现出优异的性能。这就会导致催化剂的制作成本提高。因此，迫切需要开发可在宽pH范围内通用的双功能电催化剂以适应多样化的应用。

另外，值得注意的是，大多数OER催化剂要么在强酸性溶液中容易遭受腐蚀，要么在酸性介质中表现出较差的活性。另外，中性电解质对环境无害且具有生物相容性，不幸的是，很少有催化剂在中性介质中表现良好。因此，迫切需要开发可在宽pH范围内通用的双功能电催化剂以适应多样化的应用。

目前，只有少数非贵金属催化剂用于宽pH全解水，制备方法要么繁琐，要么稳定性差。过渡金属氮化物Co₄N已用于在碱性电解质中进行HER反应，然而，其制备方法要么繁琐，要么需要毒性大，易泄露氨气作N源，因此，迫切需要开发一种简单，环保，经济的制备方法来制备高效、稳定的在宽pH范围内使用的高效双功能电催化剂，用于大规模工业化使用。

同时，得到的氮化物电催化材料粉体需要用胶黏剂粘附在集流体的表面，催化剂/胶黏剂/集流体两个界面的存在会降低电极的导电性和稳定性。因此，设计合成具有优良催化性能的自支撑氮化钴电催化材料，用于电解水制氢反应，具有重要的实用价值和现实意义。

发明内容：

本发明针对现有技术中，宽pH全解水所需电极材料制备方法繁琐，需要使用毒性大，易泄露氨气作N源进行氮化，成本高，稳定性差等缺点，提出了一种用于全pH值(酸性、中性和碱性)电解水制氢、制氧的原位生长在N-C骨架内的Co₄N量子点电极材料的制备方法，其特征在于，通过液体前驱体对碳布的高度渗透，使植入生长、碳化和Co₄N量子点原位高度分散一步完成，得到原位生长在N-C骨架中的Co₄N量子点电极材料，将其用于宽pH全解水制氢，制氢效率高，所述电极材料的制备方法包括下述步骤：