一种仿黑松枝叶结构的钴基多功能催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种仿黑松枝叶结构的钴基多功能催化剂及其制备方法，属于催化剂制备技术领域，所述钴基多功能催化剂是以碳纸为基底，在其表面生长Co

【技术实现步骤摘要】
一种仿黑松枝叶结构的钴基多功能催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于催化剂制备
，具体涉及一种仿黑松枝叶结构的钴基多功能催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着科技发展，开发可代替化石能源的清洁能源已经成为亟待解决的难题和热点。质子交换膜燃料电池因其节能、转化效率高以及接近零污染排放的优点，成为了解决能源环境问题的重点关注对象，在新能源领域具有非常优秀的应用潜力。然而，燃料电池中应用的催化剂存在催化活性不够高、稳定性差及使用寿命短等问题，大大的限制了燃料电池的应用。
[0003]目前燃料电池中广泛使用铂、钯等贵金属作催化剂，然而贵金属资源的稀缺性、催化剂中毒和高昂的成本严重制约了它们在电催化领域的发展。以碳材料制备非贵金属催化剂正在替代贵金属催化剂成为研究热点，因其成本低廉、催化效率高、稳定性优异、环境友好以及可具有多种催化性能等。但通常制备的碳材料催化剂在使用过程难免要与粘结剂混合导致其活性降低，并且由于不具有微观空间立体结构，活性位点互相堆叠、覆盖，也会降低其催化活性和催化效率。因此，开发一种高效，稳定并且经济的自支撑3D多功能催化剂对于燃料电池应用尤为重要。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种在微观上具有空间结构、比表面积大、高孔隙率、催化活性位点相互不堆叠、具有优异的氧析出、氢析出、氧还原三种催化性能的多功能催化剂及其制备方法；本专利技术所述制备方法成本低廉，制得催化剂催化效率高、稳定性优异、环境友好。
[0005]黑松的针叶与主干枝叶具有典型的分级结构，大大提高其比表面积和空间孔隙率；并且在空间上，多层次的枝干与针叶结构使其叶片之间鲜有堆叠、覆盖的情况发生；本专利技术效仿黑松的枝叶结构，以碳纸为基底，在其表面生长微米级Co
‑
MOF片，又在Co
‑
MOF片表面生长了大量碳纳米管，碳纳米管壁上分布了丰富的钴团簇颗粒，通过本法制得的仿生钴基多功能催化剂，在微观上具有空间结构，比表面积大，高孔隙率，催化活性位点相互不堆叠，具有优异的氧析出、氢析出、氧还原三种催化性能。
[0006]本专利技术通过如下技术方案实现：
[0007]一种仿黑松枝叶结构的钴基多功能催化剂，是以碳纸为基底，在其表面生长Co
‑
MOF片，并在Co
‑
MOF片表面生长碳纳米管，所述碳纳米管的管壁上分布有钴团簇颗粒。
[0008]进一步地，所述Co
‑
MOF片的厚度为30
‑
50μm，所述碳纳米管直径为30
‑
50nm，，所述钴团簇颗粒的粒径尺寸为3
‑
8nm。
[0009]一种仿黑松枝叶结构的钴基多功能催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0010]A：将三聚氰胺与乙醇混合后用磁力搅拌器搅拌，得到均匀的三聚氰胺浆料，将上
述浆料转移至石墨舟中，在真空干燥箱内恒温干燥；
[0011]B：将碳纸裁剪为1cm
×
0.8cm大小，依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗20min，放入真空干燥箱内烘干；对烘干后的碳纸采用等离子体刻蚀，工作频率为12
‑
14MHz，刻蚀时间为5
‑
15min，将处理后的碳纸放于氩气气氛的手套箱内备用；
[0012]C：将六水硝酸钴与二甲基咪唑分别溶于25mL去离子水中，磁力搅拌30
‑
60min，所得溶液分别记为a、b溶液；将a溶液倒入b溶液中，将清洗后的碳纸放入混合溶液中，室温下静置2
‑
6h，从而在碳纸基底上生长了钴基金属有机金属框架结构(Co
‑
MOF)，将此时获得的碳纸记为Co
‑
MOF/CP；
[0013]D：将步骤A中装有干燥后三聚氰胺的石墨舟与步骤C中制得的Co
‑
MOF/CP放入管式炉中，在氮气氛围下加热至750
‑
1000℃，保温0.5
‑
2h，升温速率为1.5
‑
2℃/min，自然冷却至室温后，获得仿黑松枝叶结构的钴基多功能催化剂。
[0014]进一步地，所述步骤A中的三聚氰胺和乙醇的质量体积比为1mg：1mL。
[0015]进一步地，所述步骤A中的三聚氰胺浆料的烘干温度为50
‑
80℃，烘干时长为2
‑
4h。
[0016]进一步地，所述步骤C中的六水硝酸钴与二甲基咪唑的摩尔比为1：5
‑
9。
[0017]进一步地，所述步骤D中，三聚氰胺与六水硝酸钴的摩尔比为1：0.2
‑
0.4。
[0018]进一步地，所述步骤D中，装有干燥后三聚氰胺的石墨舟与Co
‑
MOF/CP应沿着管式炉进气口到出气口的方向依次放置。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的优点如下：
[0020]1、本专利技术基于工程仿生学思想，效仿黑松的枝叶结构所具有空间立体结构、孔隙率高、枝叶间不堆叠覆盖的特征，以碳纸为基底，在其表面生长微米级Co
‑
MOF片，又在Co
‑
MOF片表面生长了大量碳纳米管，碳纳米管壁上分布了丰富的钴团簇颗粒，从而具有丰富的催化活性位点，提高了催化效率；通过本方法制得的仿生钴基多功能催化剂，具有在微观上具有空间结构，比表面积大，高孔隙率，催化活性位点相互不堆叠，具有优异的氧析出、氢析出、氧还原三种催化性能；
[0021]2、通过使用等离子体对碳纸基底进行刻蚀，在碳纸表面引入氧官能团等，改变了碳纸表面性能，并且显著的提高了其亲水性，有助于Co
‑
MOF在其表面生长，并且形貌完好，进一步促进了碳纳米管在其表面大量生长；
[0022]3、通过本专利技术方法制备的催化剂具有自支撑3D结构，与传统的粉末状催化剂相比，避免了使用粘结剂而导致的催化活性降低，并且与基底结合更加牢固，从而具有更好的导电性、更高的催化活性、更好的稳定性；
[0023]4、本专利技术所使用原材料为非贵金属，成本低廉，制备流程简单，大大降低了生产成本，并且以碳材料为燃料电池的催化剂对环境更加友好。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0025]图1为实施例1中本专利技术方法制备的仿生多功能催化剂(反应温度820℃)的扫描电镜图；
[0026]图2为实施例1中本专利技术方法制备的仿生多功能催化剂(反应温度820℃)的透射电镜图；
[0027]图3为实施例1中本专利技术方法制备的仿生多功能催化剂(反应温度820℃)的氧析出催化性能，其中，a为氧析出性能的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿黑松枝叶结构的钴基多功能催化剂，其特征在于，是以碳纸为基底，在其表面生长Co
‑
MOF片，并在Co
‑
MOF片表面生长碳纳米管，所述碳纳米管的管壁上分布有钴团簇颗粒。2.如权利要求1所述的一种仿黑松枝叶结构的钴基多功能催化剂，其特征在于，所述Co
‑
MOF片的厚度为30
‑
50μm，所述碳纳米管直径为30
‑
50nm，，所述钴团簇颗粒的粒径尺寸为3
‑
8nm。3.如权利要求1所述的一种仿黑松枝叶结构的钴基多功能催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A：将三聚氰胺与乙醇混合后用磁力搅拌器搅拌，得到均匀的三聚氰胺浆料，将上述浆料转移至石墨舟中，在真空干燥箱内恒温干燥；B：将碳纸裁剪为1cm
×
0.8cm大小，依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗20min，放入真空干燥箱内烘干；对烘干后的碳纸采用等离子体刻蚀，工作频率为12
‑
14MHz，刻蚀时间为5
‑
15min，将处理后的碳纸放于氩气气氛的手套箱内备用；C：将六水硝酸钴与二甲基咪唑分别溶于25mL去离子水中，磁力搅拌30
‑
60min，所得溶液分别记为a、b溶液；将a溶液倒入b溶液中，将清洗后的碳纸放入混合溶液中，室温下静置2
‑
6h，从而在碳纸基底上生长了钴基金属有机金属框架结构(Co

【专利技术属性】
技术研发人员：郑伟涛，刘昕，张晓宇，周兴伟，张家豪，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：