[发明专利]一步沉积制备ORR和OER双功能催化剂的方法

说明书

本发明属于电催化化学领域，具体为一步沉积制备ORR和OER双功能催化剂的方法。所述催化剂的分子式为CoP@NWC。制备步骤为：先合成NWC碳材料，然后将六水合硝酸钴、一水次磷酸钠和无水乙酸钠溶于水中制备为电解液。杉木块、铂电极和甘汞电极分别用作工作电极、对电极和参比电极，使用CHI660E电化学工作站在‑1.2V下沉积90min。之后用去离子水和乙醇清洗木片，随后在60℃的真空烘箱中干燥过夜，得到CoP@NWC。本发明所述的电沉积法可以直接合成磷化物，避免了有毒气体的排放。制备的催化剂电压间隙仅0.65V，具备优异的双功能催化活性。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一步沉积制备ORR和OER双功能催化剂的方法。

背景技术

发展可再生能源技术是应对当前能源危机和环境污染的重要途径，风能等新能源由于其不连续性而需要储能装置。锌-空气电池(ZABs)因其成本低、安全性高、理论比能量高、放电电位稳定等优点被认为是一种很有前景的储能系统。氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)是金属-空气电池空气电极上的关键电化学反应。然而，由于可逆氧电催化的多步和质子耦合电子转移特性，在充放电过程中空气阴极的ORR和OER动力学缓慢仍然阻碍了ZABs的广泛应用，使其商业化受到限制。目前，效率最高的ORR/OER电催化剂分别是Pt基和Ru/Ir基催化剂，而贵金属基催化剂的高成本、稳定性差及催化双功能性不足成为制约因素。

过渡金属磷化物(TMPs)因其合适的d电子构型、中等的中间键能和丰富的化学状态、多种合成方法和高催化活性而受到广泛关注。M_xP_y中的金属原子部分带正电(δ⁺)，而P原子带负电(δ^-)。这种特殊的结构有利于电化学反应过程中OH^-的吸附，从而促进O₂的沉淀。此外，M_xP_y表现出优异的耐碱性，并在电化学反应过程中保持优异的稳定性，使其成为一种很有前景的OER催化剂。制备过渡金属磷化物的常用方法是用还原剂如NaH₂PO₂或元素红磷进行磷化处理。虽然这些合成方法得到的磷化物结晶度高，OER性能突出，但合成过程非常复杂繁琐，并且会释放出PH₃等有毒气体。因此，寻找一种简单、安全、无毒、有效的磷化方法对过渡金属磷化物的开发具有重要意义。此外，M_xP_y对ORR的活性非常差。为了获得双功能氧电催化剂，有必要将M_xP_y与ORR活性位点结合起来。

研究开发出满足ORR-OER双功能催化剂，是本领域科技工作者的当务之急。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷与不足，本发明的目的在于提供一种一步沉积制备ORR和OER双功能催化剂CoP@NWC的方法，解决如下问题：①在制备过程中，合成过程步骤繁琐，有毒气体释放的问题；②ORR-OER双功能活性不足；③贵金属基催化剂价格昂贵、资源受限。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一步沉积制备ORR和OER双功能催化剂的方法，所述催化剂的分子式为CoP@NWC，结构为磷化钴CoP生长在氮掺杂生物质碳NWC上,采用如下技术方案，制备步骤如下：

S1、将杉木均匀切块，尺寸为2.0cm×2.0cm×0.5cm，分别用去离子水和乙醇超声清洗，烘干10-15h，得到杉木块；

S2、制备饱和氯化铵溶液；

S3、将S1制备好的杉木块浸泡在S2所制备的氯化铵溶液中，室温搅拌24h，取出杉木块后在干燥箱中60℃烘干10-15h，得到氮掺杂杉木块；

S4、将S3中制备的氮掺杂杉木块置于管式炉中煅烧，在氩气气氛下900℃保温2h，冷却至室温，得到氮原子掺杂的生物质碳NWC；