[发明专利]一种钴基电解水催化剂及其制备方法和在电解水中的应用

说明书

本发明公开了一种钴基电解水催化剂及其制备方法和在电解水中的应用，其方案包括以下步骤：S1、将六水合硝酸钴、尿素和铵盐溶于水中配成第一混合溶液，然后加入碳布，置于反应釜中进行水热反应，得到生长于碳布上的氢氧化钴纳米线材料；S2、将金属盐和硫代硫酸钠溶于水配置成第二混合溶液，以步骤S1合成的氢氧化钴纳米线材料为工作电极，Ag/AgCl和Pt丝分别为参比电极和对电极，组成三电极体系，采用恒电位法进行电沉积，结束后，洗涤烘干制得原子置换策略构筑的高效电解水析氧催化剂。该技术方案通过原子置换策略在柔性碳纤维布上制备针状的钴基电化学水分解催化剂的新方法。

技术领域

本发明涉及无机功能材料领域，具体是指一种钴基水电解催化剂及其制备方法和在电解水中的应用。

背景技术

电解水技术是一种高效、清洁、高纯的制氢技术。水分解由两个半反应组成，阴极是析氢反应(HER)，阳极是析氧反应(OER)。其中，OER是一种四-电子-质子偶联反应，其反应过程复杂，需要更高的能量(更高的过电位)来克服反应势垒。因此，缓慢的OER动力学是阻碍整体水分解应用的关键问题之一。在目前，RuO₂或IrO₂等电催化剂有效地降低了OER活化势垒并促进了反应过程。然而，这些贵金属电催化剂的高成本限制了它们的商业应用。因此，非常有必要采用更经济和丰富的非贵金属(例如Co、Ni或Fe)基化合物作为电解水分解催化剂。通常，OER过程中的氧化物/(羟基)氢氧化物处于中间状态是催化活性物质，因此金属氧化物/氢氧化物的选择更适合OER催化剂。

长期以来，钴基材料一直被认为是水电解中很有前景的催化剂。特别是，许多钴基氧化物和(羟基)氢氧化物已被广泛研究作为OER催化剂。然而，由于钴基氧化物/氢氧化物的催化活性位点数量少且对反应中间体的吸附能力强，催化活性并不理想。目前，界面工程策略已成为一种流行的策略来调整界面，可能有利于富集活性位点和促进电子转移，以及优化反应中间体的吸附能，从而提高水分解效率。虽然表面边界修饰获得了理想的催化效果，但调节策略往往是在表面构建另一种物质一种催化剂形成异质结。然而，异质结的形成不会增加催化活性位点，与大块材料相比电子传输率下降，还可能导致严重的电荷交通拥堵小接触界面。

通过检索，现有技术。公开了一种钴基多级纳米复合结构电解水制氧电催化剂及其制备方法，参见中国专利公开号CN106011926A。该技术方案与本申请的方案相比存在以下区别：首先设计催化剂的理念完全不同，本申请的着重点在原子置换策略构筑的高效电催化剂，第一步合成氢氧化钴的过程中，氟化铵的存在导致了F原子掺杂，造成了缺陷，在后续沉积过程中，S原子会置换F原子，并且达到精准沉积的效果。最终两者的协同作用增强了电解水析氧的效果。其次，本申请的合成方法采用的是两步法，更加简便。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种钴基电解水催化剂及其制备方法和在电解水中的应用，该技术方案通过原子置换策略在柔性碳纤维布上制备针状的电化学水分解催化剂的新方法。

为实现上述目的，本发明的第一个方面是提供一种钴基电解水催化剂的制备方法，其技术方案是包括以下步骤：

S1、将六水合硝酸钴、尿素和铵盐溶于水中配成第一混合溶液，然后加入碳布，置于反应釜中进行水热反应，得到生长于碳布上的氢氧化钴纳米线材料；

S2、将金属盐和硫代硫酸钠溶于水配置成第二混合溶液，以步骤S1合成的氢氧化钴纳米线材料为工作电极，Ag/AgCl和Pt丝分别为参比电极和对电极，组成三电极体系，采用恒电位法进行电沉积，结束后，洗涤烘干制得原子置换策略构筑的高效电解水析氧催化剂。

进一步设置是所述的铵盐为氟化铵或硝酸铵。

进一步设置是所述的步骤S2中的金属盐为六水合氯化钴、六水合氯化镍、氯化铜和氯化锰。