[发明专利]一种多孔碳纳米复合材料催化剂的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多孔碳纳米复合材料催化剂的制备方法，属于纳米材料、高分子聚合物与催化剂技术领域。采用聚合‑浸渍‑热解‑浸渍方法，制备碳@Fe₂O₃@Co(Ⅱ)纳米复合材料催化剂。该催化剂制备所用原料成本低，制备工艺简单，反应能耗低，具有工业应用前景。该催化剂用于催化电解水析氧，具有良好的析氧电催化活性与电化学稳定性。

技术领域

本发明涉及一种多孔碳纳米复合材料催化剂的制备方法和应用，属于纳米材料、高分子聚合物与电催化技术领域。

背景技术

随着经济的快速发展和科技的不断进步，能源和环境在社会发展中具有非常重要的作用。在过去50年中，大量研究者致力于研究、开发高效、经济、可再生可持续的能源。为实现可持续发展目标，寻找和开发绿色能源和高效能源设备迫在眉睫。值得注意的是，氢能被认为是最为清洁的、高效的能源，获得氢能可以通过自然空气的分离、化石能源的裂解分离或部分氧化、光催化分解、生物质发酵转化、电解水；其中，电催化水解制氢和制氧引起了全球科学家们的广泛关注，而且电解水被认为是最具前景的生产氢能的方法之一。

电解水是应用电能把液态水分解为氧气(O₂)和氢气(H₂)的现象。由于电解水的半反应(析氧半反应)需要较大的过电位才能发生，大大增加了制氢的能耗，因此，开发高效催化析氧反应的催化剂对于制氢技术的提高十分必要，同时在氢能源、氯碱工业和太阳能的使用方面都非常有意义。

金属Co(II)正离子及其聚合物在碱性介质中具有较低的过电位，不仅成本低、而且稳定性良好，抗腐蚀性能也比较强。

聚脲(polyurea)是由二元或多元异氰酸酯与胺或水反应生成的一种分子链中含-NH-CO-NH-(脲基)链节的有机聚合物。因其分子链中富含活性胺基(NH₂)、脲基，其具有孤对电子的胺基N原子，使得聚脲几乎能与所有金属离子形成稳定配合物。而聚脲经过热解后形成的纳米聚合物，因其纳米范畴的维度，更能呈现出宏观材料所不能比拟的特性。迄今为止，基于聚脲高分子聚合物电催化析氧的开发报道极少。

发明内容

本发明的技术任务之一是为了弥补现有技术的不足，提供一种多孔碳纳米复合材料催化剂的其制备方法，该方法所用原料成本低，合成工艺简单，反应能耗低，具有广泛的应用前景。

本发明的技术任务之二是提供多孔碳纳米复合材料催化剂的用途，该催化剂用于电化学催化析氧，具有良好的析氧电催化活性与电化学稳定性。

本发明的技术方案如下：

1.一种多孔碳纳米复合材料催化剂的制备方法

(1)将0.40-0.80g的硝酸铁溶解在4-8mL乙醇中，加入0.20-0.40g聚苯脲粉末PU，搅拌均匀后，于120W超声12-15min后，浸渍过夜，60℃干燥，制得多孔Fe(III)-聚苯脲配位聚合物材料；

(2)将多孔Fe(III)-聚苯脲配位聚合物材料置于管式炉中，空气氛下，升温速率为3-5℃/min，加热至300-500℃，保温1.5-2.5h，然后，以2℃/min降温速率冷却到室温，制得多孔碳@Fe₂O₃纳米复合材料；

(3)将0.60-1.20g的硝酸钴溶解在4-8mL乙醇中，加入0.10-0.50g多孔碳@Fe₂O₃纳米复合材料，于120W超声12-15min后，浸渍过夜，60℃干燥，制得多孔碳@Fe₂O₃@Co(Ⅱ)纳米复合材料，即多孔碳纳米复合材料催化剂。

步骤(1)中所述聚苯脲粉末PU，其构造式如下：

步骤(1)中所述聚苯脲粉末PU，制备步骤如下：