一步煅烧法制备生物质碳负载的磷化钴电极材料的方法技术

本发明专利技术属于纳米材料制备技术领域，公开了一种一步煅烧法制备生物质碳负载的磷化钴电极材料。包括：银杏叶作为生物质碳源，硝酸钴、硝酸铵和次磷酸钠作为原料，所述银杏叶、硝酸铵、硝酸钴、去离子水和次磷酸钠的质量比为1～2：1.5～3：0.25～2：12～24：1～8。经管式炉煅烧反应，调节碳源及硝酸铵、硝酸钴、次磷酸钠的含量以及反应温度等变量，制得生物质碳负载的磷化钴电极材料。本发明专利技术所述方法操作简单，反应温度低，耗能低。所制备的磷化钴颗粒在生物质碳上分散性好，大小均匀，稳定性高。一步法所制备的生物质碳负载的磷化钴纳米复合电极材料应用于电催化水分解析氢反应和析氧反应，电化学性能优异，适合工业化生产。

One-step Calcination Method for Preparing Biomass Carbon-loaded Cobalt Phosphide Electrode Material

【技术实现步骤摘要】
一步煅烧法制备生物质碳负载的磷化钴电极材料的方法
本专利技术属于纳米材料制备
，涉及一步煅烧法制备生物质碳负载的磷化钴电极材料的方法，用于电催化水分解析氢反应和析氧反应。
技术介绍
随着经济的发展，石油和天然气的快速消耗，导致环境问题日益突出。能源开发和环境保护成为人类社会发展中面临的两大重要课题，寻找一种环境友好型的新能源来取代石油或者其他燃料成为当前人类迫在眉睫的问题。氢能源具有原料储量丰富、高热值、无污染、可持续发展等的优势，成为当今社会最具有发展潜力的洁净能源。与化石能源相比，氢能源具有：氢元素在地球中含量最丰富、H2的燃烧热值高、氢能源是洁净且环境友好型能源等优点。然而，目前对于制氢工业主要有三个途径：甲烷蒸汽重整、煤炭气化和电解水。前两种制氢方法占全部产氢量的95％以上，而电解水产氢只占总产氢量的4％。这是由于前两种制备方法的完善，其产氢效率远远高于电解水。但是，电解水制氢技术简单、快捷、副产物无污染，是一个理想产氢方法。这就需要科学家们研发一种理想的催化剂材料来提高氢气的制备效率。铂族贵金属及其氧化物被认为是目前电催化制氢效率最高的催化剂，但由于价格昂贵且储量较少，限制了其大规模的商业化应用。近年来，非贵金属基析氢催化剂在性能及应用方面替代贵金属催化剂，其中过渡金属磷化物(如磷化镍、磷化钴、磷化铁等)展现其优秀的催化性能。磷化钴由于催化析氢活性高、易于制备等特点，备受国内外研究者关注。而生物质能作为一种分布广、绿色可再生的能源受到世界各国越来越多的重视。从化学的角度上看，生物质的主要组成元素为C、H和O，而化石资源的主要化学组成为C和H。所以，生物质的特性和利用方式与矿物燃料有很大的相似性，可以充分利用已经发展起来的常规能源技术开发利用生物质能。将磷化钴和生物质碳复合得到的催化材料，同时具有磷化钴的优异特性以及生物质碳材料的高导电性、高比表面积、高稳定性、优越的耐酸碱及独特的电子传导特性的优点，使得其电催化活性进一步提高。传统的生物质碳负载的磷化钴的电极材料一般分为两步法制备。首先在高温(700～1000℃)下制备生物质碳负载的四氧化三钴或钴单质。然后，在低温下经次磷酸钠磷化生成生物质碳负载的磷化钴电极材料。该方法需经二次管式炉煅烧，工艺流程复杂，反应温度高，耗能高。本专利技术采用一步低温制备生成生物质碳负载的磷化钴的电极材料，工艺流程简单，反应温度低，耗能低。所制得成品电催化裂解水性能好，适合工业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的是采用一步煅烧法低温制备生物质碳负载的磷化钴电极材料，用于电催化水分解析氢反应和析氧反应。原料易得，成本低廉，操作简单，电化学性能高且稳定性好。本专利技术的技术方案如下：一步煅烧法制备生物质碳负载的磷化钴电极材料的方法，包括如下步骤：(1)分别称取银杏叶粉、硝酸铵、硝酸钴于烧杯中，加入去离子水，超声分散均匀1～6h；然后置于烘箱中恒温烘干；(2)将步骤(1)烘干后的产物盛于瓷舟末端，称取次磷酸钠于瓷舟前端，用铝箔纸半包裹瓷舟置入氮气氛管式炉中，程序升温至煅烧温度，煅烧结束后，得到黑色的产物。步骤(1)中，所述的银杏叶粉、硝酸铵、硝酸钴和去离子水的质量比为1～2：1.5～3：0.25～2：12～24。进一步地，所述的银杏叶粉、硝酸铵、硝酸钴和去离子水的质量比为1：1.5：0.5：12。步骤(1)中，烘干温度为40℃～80℃，烘干时间为12～36h。步骤(2)中次磷酸钠和步骤(1)中硝酸钴的质量比为1～8：0.25～2。进一步地，步骤(2)中次磷酸钠和步骤(1)中硝酸钴的质量比为2：0.5。步骤(2)中，升温速率为3℃/min，煅烧温度为300～500℃，煅烧时间为1～3h。进一步地，煅烧温度为500℃。将本专利技术制备的生物质碳负载的磷化钴电极材料作为电解水的电极材料，用于水分解析氢反应和析氧反应的用途。本专利技术的原理为：本专利技术通过低温煅烧磷化(300～500℃)一步法制备生物质碳负载的磷化钴，煅烧过程中，硝酸铵和硝酸钴反应生成钴单质，生物质活化热解为生物质碳并留下孔洞，次磷酸钠分解生成磷化氢，最后钴和磷化氢发生氧化反应，得到生物质碳负载的磷化钴电极材料。本实验所用试剂皆为分析纯，均为市售。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术以银杏叶粉作为生物质碳源，硝酸钴、硝酸铵和次磷酸钠作为原料并利用一步煅烧法，通过改变原料的配比和反应温度合成生物质碳负载的磷化钴电极材料。(2)本专利技术操作条件易于控制，工业流程简单，环保且能耗低，反应过程中硝酸铵可以全部分解，不需要除杂，所制电极材料纯度高、晶型好、杂质含量少、磷化钴颗粒在生物质碳上分散性好、大小均匀、易于实现工业化。(3)本专利技术用的银杏叶粉容易得到且丰富，生物质碳材料的高导电性、高稳定性、优越的耐酸碱等特性，以及磷化钴的优异的电解水析氢和析氧性能，使得生物质碳负载的磷化钴电极材料应用于电催化水分解析氢反应和析氧反应，具有优异的电化学性能和工作温度范围宽等优点。附图说明图1是各实施例合成的生物质碳负载的磷化钴电极材料的X射线衍射图谱(XRD)，其中，a-实施例1，b-实施例2，c-实施例3；图2是各实施例合成的生物质碳负载的磷化钴电极材料的透射电镜图(TEM)，其中，a-实施例1，b-实施例2，c-实施例3；图3是生物质碳负载的磷化钴电极材料的极化曲线图，其中，a-实施例2，b-对比例1。具体实施方式下面结合具体实施实例对本专利技术做进一步说明，以使本领域技术人员更好地理解本专利技术，但本专利技术并不局限于以下实施例。实施例1称取1g的银杏叶粉、1.5g硝酸铵和0.25g硝酸钴混合，加入12g的去离子水，超声1h后置入40℃烘箱24h。将烘干后的产物盛于瓷舟末端，称取1g次磷酸钠于瓷舟前端，用铝箔纸半包裹瓷舟置入氮气氛管式炉中。以3℃/min的升温速率在300℃下煅烧1h，得到黑色的产物。XRD图谱如图1中a所示，该XRD曲线符合磷化钴的XRD标准卡片(JCPDSNO.29-497和JCPDSNO.32-306)，说明成功制备出生物质碳负载磷化钴；TEM图如图2中a所示，磷化钴成球形粒子分散在生物质碳上。实施例2称取1g的银杏叶粉、1.5g硝酸铵和0.5g硝酸钴混合，加入12g的去离子水，超声2h后置入75℃烘箱24h。将烘干后的产物盛于瓷舟末端，称取2g次磷酸钠于瓷舟前端，用铝箔纸半包裹瓷舟置入氮气氛管式炉中。以3℃/min的升温速率在500℃下煅烧3h，得到黑色的产物。XRD图谱如图1中b所示，该XRD曲线符合磷化钴的XRD标准卡片(JCPDSNO.29-497和JCPDSNO.32-306)，说明成功制备出生物质碳负载磷化钴；TEM图如图2中b所示，磷化钴成球形分散在生物质碳上。实施例3称取2g的银杏叶粉、3g硝酸铵和2g硝酸钴混合，加入24g的去离子水，超声6h后置入80℃烘箱36h烘干。将烘干后的产物盛于瓷舟末端，称取8g次磷酸钠于瓷舟前端，用铝箔纸半包裹瓷舟置入氮气氛管式炉中。以3℃/min的升温速率在500℃下煅烧3h，得到黑色的产物。XRD图谱如图1中c所示，该XRD曲线符合磷化钴的XRD标准卡片(JCPDSNO.29-497和JCPDSNO.32-306)，说明成功制备出生物质碳负载磷化钴；TEM图如图2中c所示，磷化钴成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一步煅烧法制备生物质碳负载的磷化钴电极材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)分别称取银杏叶粉、硝酸铵、硝酸钴于烧杯中，加入去离子水，超声分散均匀1～6h；然后置于烘箱中恒温烘干；(2)将步骤(1)烘干后的产物盛于瓷舟末端，称取次磷酸钠于瓷舟前端，用铝箔纸半包裹瓷舟置入氮气氛管式炉中，程序升温至煅烧温度，煅烧结束后，得到黑色的产物。

【技术特征摘要】
1.一步煅烧法制备生物质碳负载的磷化钴电极材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)分别称取银杏叶粉、硝酸铵、硝酸钴于烧杯中，加入去离子水，超声分散均匀1～6h；然后置于烘箱中恒温烘干；(2)将步骤(1)烘干后的产物盛于瓷舟末端，称取次磷酸钠于瓷舟前端，用铝箔纸半包裹瓷舟置入氮气氛管式炉中，程序升温至煅烧温度，煅烧结束后，得到黑色的产物。2.如权利要求1所述的一步煅烧法制备生物质碳负载的磷化钴电极材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的银杏叶粉、硝酸铵、硝酸钴和去离子水的质量比为1～2：1.5～3：0.25～2：12～24。3.如权利要求2所述的一步煅烧法制备生物质碳负载的磷化钴电极材料的方法，其特征在于，所述的银杏叶粉、硝酸铵、硝酸钴和去离子水的质量比为1：1.5：0.5：12。4.如权利要求1所述的一步煅烧法制备生物质碳负载的磷化钴电极材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，烘干温度为40℃～...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅小奇，杨艳芳，郑磊之，林长青，邵梦林，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32