[发明专利]一种N掺杂多孔碳包覆CoP析氢材料的制法及应用

说明书

本发明涉及电催化析氢技术领域，一种N掺杂多孔碳包覆CoP析氢材料，CoP镶嵌于多孔碳基体中，而多孔碳稳定的结构与良好的导电炭网络，使多孔碳包覆CoP复合电催化析氢材料在长时间的工作电压下，仍旧具有非常好的稳定性，提高了CoP复合电催化析氢材料的实际应用价值，N掺杂能够提高多孔碳基体的亲水性，提高与水的接触界面，N掺杂主要以吡啶型N、吡咯型N以及石墨型N，石墨N能够增强碳材料的导电性能，而吡啶型N与吡咯型N则能够为HER反应提供化学活性反应位点，多孔碳与多孔结构的CoP都具有非常高的比表面积，因此赋予了复合电催化析氢材料丰富的活性反应，提高了电催化析氢材料的析氢效率。

技术领域

本发明涉及电催化析氢技术领域，具体为一种N掺杂多孔碳包覆CoP析氢材料的制法及应用。

背景技术

能源与环境问题一直是摆在人类社会可持续发展前的两大难题，随着现代社会的高速发展，化石能源的飞速消耗，以及伴随着化石能源消耗所带来的污染，迫使人们不断投入资源来进行环境治理，已经逐渐成为了社会发展的阻碍，因此，寻求一种清洁高效的能源是研究者们的主要方向，目前主要的清洁能源有太阳能、风能、潮汐能等，但是这些能源对环境都有着限制，而氢能，其燃烧只生成完全无害的水，因此被普遍认为是最为理想的清洁能源，目前的制氢方式有光解水、电解水等，其中电解水具有绿色、高效等特点而被广泛的应用。

目前商业化的高活性的电解水析氢材料主要是Pt等贵金属类催化剂，由于价格昂贵且稀有，限制了其广泛的应用，因此研究人员们致力于开发具有高活性、高稳定性的非贵金属析氢催化剂，其中过渡金属磷化物具有成本低廉、电荷传输速度快以及催化活性高等特点，是一种非常具有潜力的析氢材料，目前已有多种过渡金属磷化物被应用于电催化分解水析氢，例如FeP、Ni₂P、MoP、CoP等，其中CoP由于其具有较高的催化活性与催化反应所需的过电位较低等优势，是一种非常好的电解水析氢材料，但是纯CoP电催化析氢材料的相对稳定性较差，实际析氢效率也并不佳，而通过碳包覆的方式，则可以克服这些缺陷。

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种N掺杂多孔碳包覆CoP析氢材料的制法及应用，解决了纯CoP电催化析氢材料的相对稳定性较差，实际析氢效率不佳的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种N掺杂多孔碳包覆CoP析氢材料制备方法包括以下步骤：

(1)将γ-环糊精加入至去离子水中，再加入高碘酸钠，使用硫酸调节pH至3-6，恒温水浴反应，沉淀洗涤、真空干燥，得到双醛基环糊精；

(2)将双醛基环糊精与氨基吡啶溶于甲醇与水的混合溶液中，再滴加冰醋酸，于氮气氛围下，回流反应，冷却至室温，搅拌反应4-6h，分离提纯，沉淀洗涤，真空干燥，得到亚胺基吡啶环糊精；

(3)将亚胺基吡啶环糊精与KOH混合研磨，置于管式炉内，进行碳化过程，冷却洗涤、真空干燥，得到N掺杂多孔碳；

(4)将Co(NO₃)₃、尿素和NH₄F溶于去离子水中，再加入N掺杂多孔碳，再转移至聚四氟乙烯内胆中，于水热反应釜内，水热反应，冷却、洗涤、真空干燥，将产物与NaH₂PO₃混合研磨，再于马弗炉内，于300-500℃下，煅烧3-5h，得到N掺杂多孔碳包覆CoP析氢材料。

优选的，所述步骤(1)中γ-环糊精与高碘酸钠的质量比为100:6-10。

优选的，所述步骤(1)中恒温水浴反应的温度为30-35℃，时间为30-90min。

优选的，所述步骤(2)中双醛基环糊精、氨基吡啶与冰醋酸的质量比为100:40-60:8-12。