一种单胞厚度纳米多孔四氧化三钴纳米片阵列电催化材料，为在导电基底上垂直于该基底生长的掺杂金属的四氧化三钴初级纳米片阵列，在每一所述初级纳米片获得纳米多孔的纳米片，纳米片上具有多孔结构；该材料用作析氧反应的电催化剂；同时具有优异的析氢性能，可用作碱性全分解水体系的双功能催化剂。本发明专利技术是优点是：该材料可有效地降低析氧反应的过电势和起峰电位，提高单个钴原子上的转化率，并在强碱环境连续稳定工作；具有优异的析氢反应性能，应用该材料作为全分解水体系的阳极和阴极时，可有效降低槽电压；其制备方法简单、操作方便、成本低廉、对环境友好，为全分解水体系的双功能催化剂的导向性设计与性能优化提供了新的思路和策略。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电化学能源转化
，具体涉及一种单胞厚度纳米多孔四氧化三钴纳米片阵列电催化材料。
技术介绍
全分解水制氢是应对能源短缺和环境污染的一种有效的解决途径，在这个领域中，设计和获得高性能的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)电催化电极材料一直是研究人员的目标，然而，受限于水氧化产氧缓慢的四电子传递过程，使得析氧反应成为制约产氢效率的速控步骤。虽然贵金属催化剂表面活性高，但是由于其成本高、储量少，并不能满足实际需求。因此，近年来发展以过渡金属元素组成的OER电催化剂成为人们的研究热点。但是，这些OER催化剂通常表现出较差的HER性能，影响了它们进一步的推广应用。因此，寻找同时兼具优异、稳定的OER和HER性能的双功能催化活性且价格低廉的过渡金属氧化物催化剂是一个非常有意义的工作。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述存在问题，提供一种单胞厚度纳米多孔四氧化三钴纳米片阵列电催化材料，该材料可有效地降低析氧反应的过电势和起峰电位，提高单个钴原子上的转化率，并在强碱环境连续稳定工作；该材料还具有优异的析氢反应性能，应用该材料作为全分解水体系的阳极和阴极时，有效地降低了槽电压；该材料的制备方法步骤简单、操作方便、成本低廉、对环境非常友好，为全分解水体系的双功能催化剂的导向性设计与性能优化提供了新的思路和策略。本专利技术的技术方案：一种单胞厚度纳米多孔四氧化三钴纳米片阵列电催化材料，为在导电基底上垂直于该基底生长的掺杂金属的四氧化三钴初级纳米片阵列，在每一所述初级纳米片获得纳米多孔的纳米片，所述导电基底为钛片、镍片、泡沫镍、铜片或铁片，所述掺杂金属为锌、镍、铁或锰，掺杂金属与钴的摩尔比为0.2-0.5：1；掺杂金属的四氧化三钴纳米片厚度为0.81-0.87nm，纳米片上具有多孔结构。一种所述单胞厚度纳米多孔四氧化三钴纳米片阵列电催化材料的制备方法，包括以下步骤：1)配制浓度为0.1-1摩尔/升的盐酸溶液作为第一水溶液，将导电基底放入第
一水溶液中超声清洗5分钟，再将导电基底放入到丙酮溶液中超声5分钟，最后放入到去离子水中超声5分钟，取出导电基底，放入烘箱中干燥；2)配制硝酸钴、硝酸盐、尿素和氟化铵混合溶液作为第二水溶液，其中硝酸盐为硝酸锌、硝酸镍、硝酸铁或硝酸锰，第二水溶液中硝酸钴浓度为0.0005-0.001摩尔/升、硝酸盐浓度为0.0005-0.001摩尔/升、尿素浓度为0.01-0.1摩尔/升、氟化铵浓度为0.0125-0.025摩尔/升，磁力搅拌10分钟后转移至反应釜中，再将步骤1)处理后的导电基底斜置放入反应釜中，密封该反应釜，放入在鼓风干燥箱中升温至100℃并在自生压力下进行第一次水热反应，反应时间10小时，制得含钴碱式碳酸盐纳米片阵列的导电基底，取出导电基底，用去离子水冲洗表面，然后放入烘箱中干燥；3)将步骤2)处理后的导电基底放入浓度为0.1-1摩尔/升的浸泡液中浸泡2-4小时，然后取出导电基底，用去离子水洗涤后在真空干燥箱中干燥，所述浸泡液为硼氢化钠-氢氧化钠混合溶液、氢氧化钠溶液或硼氢化钠溶液；其中硼氢化钠-氢氧化钠混合溶液中硼氢化钠与氢氧化钠的摩尔比为1：1；4)将步骤3)处理后的导电基底放入管式炉氩气氛围中煅烧，煅烧温度为250-400℃，煅烧时间为2-4小时，制得单胞厚度纳米多孔四氧化三钴纳米片阵列电催化材料，依据所用浸泡液为硼氢化钠-氢氧化钠混合溶液、氢氧化钠溶液或硼氢化钠溶液的不同，制得的单胞厚度纳米多孔四氧化三钴纳米片阵列电催化材料分别命名为NPCoO-UCSs、NPCoO-1-NSs或NPCoO-80-NSs。一种所述单胞厚度纳米多孔四氧化三钴纳米片阵列电催化材料的应用，用作析氧反应的电催化剂；同时，该材料也具有优异的析氢性能，可用作碱性全分解水体系的双功能催化剂。本专利技术的技术分析：多个掺杂过渡元素的四氧化三钴超薄纳米片以阵列的形式垂直于该导电基底的表面生长。纳米片阵列通过含硼氢化钠的碱溶液处理形成纳米多孔结构，同时使得纳米片厚度更小，有利于暴露更多的表面钴原子作为催化中心位点。纳米片之间相互交错，形成网络结构，提高了催化剂活性位点与电解质溶液的接触与传质，同时通过掺杂过渡金属元素锌使得材料电导率增加。该电催化材料是析氧反应中极好的电催化剂，起峰电位是1.371±0.003V(相对于可逆氢电极)，当电流密度为10mA/cm2时，过电势是0.182±0.005V(相对于可逆氢电极)，单个钴原子上转化效率达到1.19±0.07s-1，且稳定性极好，远远优于商业化的铱碳催化剂(Ir/C)，是目前所报导的电催化析氧催化剂中最好的；同时，该电催化材料也可有效催化HER反应，起峰电位是-0.023V(相对于可逆氢电极)，当电流密度为10mA/cm2时，过电势是0.086V(相对于可逆氢电极)，
接近于商业化的铂碳催化剂(Pt/C)；应用该电催化材料作为阳极和阴极全分解水时，电流密度为10mA/cm2的过电势是1.39±0.02V，连续工作50000秒不衰减，超过了商业化铱碳催化剂与铂碳催化剂组成的全分解水体系；电催化材料具有丰富的孔道结构，有利于反应物(OH-)和产物分子(O2)的传质，锌的掺杂有效地提高了导电性，超薄纳米片和纳米多孔结构的存在大大增加了材料表面钴原子的暴露，为反应提供了更多的活性位点，这些因素协同增强了该材料在析氧反应中的电催化能力。本专利技术是优点是：该材料可有效地降低析氧反应的过电势和起峰电位，提高单个钴原子上的转化率，并在强碱环境连续稳定工作；该材料还具有优异的析氢反应性能，应用该材料作为全分解水体系的阳极和阴极时，有效地降低了槽电压；该材料的制备方法步骤简单、操作方便、成本低廉、对环境非常友好，为全分解水体系的双功能催化剂的导向性设计与性能优化提供了新的思路和策略。附图说明图1是NPCoO-UCSs的扫描电镜照片(SEM)。图2是NPCoO-UCSs的高分辨率扫描电镜照片(SEM)。图3是NPCoO-UCSs的X射线衍射图(XRD)，与标准谱图对比可辨别出本专利技术的材料上的纳米片阵列成分为四氧化三钴。图4是NPCoO-UCSs的原子力显微照片(AFM)，可以看出纳米片的厚度均小于1nm。图5是对应于图4样品中所标记的原子力高度曲线，可以得出该样品的平均厚度是0.84±0.03nm。图6是四氧化三钴的单胞模型，可知NPCoO-UCSs的厚度接近单胞尺寸。图7是CoO-0h-NSs、NPCoO-1h-NSs、NPCoO-1.5h-NSs、NPCoO-UCSs、NPCoO-2.5h-NSs和CoO-3h-Ps的扫描电镜照片(SEM)、透射电镜照片(TEM)和原子力显微照片(AFM)。图8是CoO-0h-NSs、NPCoO-1h-NSs、NPCoO-1.5h-NSs、NPCoO-UCSs、NPCoO-2.5h-NSs和CoO-3h-Ps的极化曲线(LSV)对比图。图9是NPCoO-UCSs、NPCoO-1-NSs、NPCoO-80-NSs和CoO-0h-NSs的导电率对比图。图10是NPCoO-UCSs和Ir/C催化剂在0.1摩尔/升氢氧化钾溶液中的析氧反应的极化曲线(LSV)对比图，参比电极为可逆氢电极。图11是对本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种单胞厚度纳米多孔四氧化三钴纳米片阵列电催化材料，其特征在于：为在导电基底上垂直于该基底生长的掺杂金属的四氧化三钴初级纳米片阵列，在每一所述初级纳米片获得纳米多孔的纳米片，所述导电基底为钛片、镍片、泡沫镍、铜片或铁片，所述掺杂金属为锌、镍、铁或锰，掺杂金属与钴的摩尔比为0.2‑0.5：1；掺杂金属的四氧化三钴纳米片厚度为0.78‑0.87nm，纳米片上具有多孔结构。
【技术特征摘要】
1.一种单胞厚度纳米多孔四氧化三钴纳米片阵列电催化材料，其特征在于：为在导电基底上垂直于该基底生长的掺杂金属的四氧化三钴初级纳米片阵列，在每一所述初级纳米片获得纳米多孔的纳米片，所述导电基底为钛片、镍片、泡沫镍、铜片或铁片，所述掺杂金属为锌、镍、铁或锰，掺杂金属与钴的摩尔比为0.2-0.5：1；掺杂金属的四氧化三钴纳米片厚度为0.78-0.87nm，纳米片上具有多孔结构。2.一种如权利要求1所述单胞厚度纳米多孔四氧化三钴纳米片阵列电催化材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)配制浓度为0.1-1摩尔/升的盐酸溶液作为第一水溶液，将导电基底放入第一水溶液中超声清洗5分钟，再将导电基底放入到丙酮溶液中超声5分钟，最后放入到去离子水中超声5分钟，取出导电基底，放入烘箱中干燥；2)配制硝酸钴、硝酸盐、尿素和氟化铵混合溶液作为第二水溶液，其中硝酸盐为硝酸锌、硝酸镍、硝酸铁或硝酸锰，第二水溶液中硝酸钴浓度为0.0005-0.001摩尔/升、硝酸盐浓度为0.0005-0.001摩尔/升、尿素浓度为0.01-0.1摩尔/升、氟化铵浓度为0.0125-0.025摩尔/升，磁力搅拌10分钟后转移至反应釜中，再将步骤1)处理后的导电基...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘熙俊，罗俊，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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