球状CoWO4纳米材料的制备方法及其在电催化中的应用技术

球状CoWO4纳米材料的制备方法及其在电催化中的应用，涉及电解水、燃料电池和金属‑空气电池等技术领域，将氯化钾水溶液与磷钨酸水溶液混合后常温下搅拌反应，取得K3PW12O40纳米材料后，再将K3PW12O40纳米材料溶于去离子水中，制得钨酸盐溶液，然后再将钨酸盐水溶液与乙酸钴水溶液混合进行水热反应，取得球状CoWO4纳米材料。把该纳米材料溶解在Nafion水溶液中，经修饰玻碳电极，得修饰样品的玻碳电极。可以大大提高在氧析出反应等方面的电催化性能。

【技术实现步骤摘要】
球状CoWO4纳米材料的制备方法及其在电催化中的应用
本专利技术涉及电解水、燃料电池和金属-空气电池等
，特别是其电极材料的制备技术。
技术介绍
近十年来，在全球环境恶化和能源需求日益严重的情况下，能源转换和储存方面的研究逐渐激增。从这个意义上讲，环境友好的水分解制氢取得了巨大的关注。然而，分解水的电化学或光化学的析氧反应的过电位高的（OER）限制。虽然贵金属氧化物（例如RuO2和IrO2）和贵金属（例如Pt）–OER催化剂具有较高的催化活性和稳定性，其实际应用是经济上并不可行，因为他们的高价格和稀缺性。因此，努力研究高性能的替代品，如合金，金属氧化物和金属配合物。钴（Co）已经成为设计和制造坚固的最常见的非贵重元素之一和高效的OER催化剂。钨酸钴(CoWO4)是一种重要的p型半导体在催化、磁性、传感器和光电领域电化学电池这方面得到了相当大的关注。更重要的是，CoWO4与Co3O4相比，具有优越的电化学活性和更高的电子多价态导电性。因此，预测CoWO4具有增强的电化学性能能源存储设备。
技术实现思路
针对以上现有技术和缺陷，本专利技术首先提出一种球状CoWO4纳米材料的制备方法。本专利技术包括以下步骤：1）将氯化钾水溶液与磷钨酸水溶液混合后常温下搅拌反应，取得沉淀物以水和乙醇洗涤后干燥，即得K3PW12O40纳米材料；KCL+H3PWO40=K3PW12O40+HCL2）将K3PW12O40纳米材料溶于去离子水中，制得钨酸盐溶液；3）将钨酸盐水溶液与乙酸钴水溶液混合进行水热反应，取得沉淀物用水和乙醇洗涤后干燥，即得球状CoWO4纳米材料。本专利技术的球状CoWO4电极材料是由简单水热法制备而成，采用的原材料环保、成本低，工艺简单，易于操作控制，适于连续化大规模生产，制备过程绿色环保。经实验证实，这种CoWO4纳米材料具有球状结构，由于其高的比表面积、优良的电导率等优异性能，可用于电催化。进一步地，为了取得产物形貌最佳且性能最优，所述步骤1）中氯化钾和磷钨酸的混合体积比为1∶2。所述步骤3）中乙酸钴为四水乙酸钴（Co(CH3COO)2•4H2O）。经实验证明，由于这几种金属二价盐所带的酸根易脱去，更易得到所需的产物，因此优先采用这种金属盐。所述钨酸盐和四水乙酸钴的投料摩尔比为1∶10。此比例下CoWO4的形貌和性能较好。所述水热反应的温度条件为120℃。经反复实验证明，在此水热温度下，能够合成生长良好、纯度较高的球状CoWO4，是最佳的工艺条件。本专利技术另一目的还提出采用以上方法制成的球状CoWO4纳米材料在电催化中的应用。超声条件下，把所述球状CoWO4纳米材料溶解在Nafion水溶液中，然后修饰在玻碳电极上，得到修饰样品的玻碳电极。该应用的特点及优点：（1）CoWO4纳米材料虽然其导电性较差，但其特殊的球状的纳米结构，大大提高了在氧析出反应（OER）等方面的电催化性能。（2）利用电子传递，只需要通过很薄的膜层，电子就可以到达载体电极上。（3）氧析出反应（OER）被认为是对环境友好和可再生的能源系统。附图说明图1为本专利技术制备的球状K3PW12O40电极材料的扫描电镜图（SEM）。图2为本专利技术制备的片球状CoWO4电极材料的扫描电镜图（SEM）。图3为本专利技术制备的片球状CoWO4电极材料的透射电镜图（TEM）。图4为本专利技术制备的球状CoWO4电极材料的X射线衍射图（XRD）。图5为本专利技术制备的球状CoWO4电极材料的OER的循环伏安曲线图。图6为本专利技术制备的球状CoWO4电极材料的OER的线性扫描曲线图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式用实例对本专利技术作进一步说明，但不限于此。一、制备球状CoWO4纳米材料：1、将氯化钾溶于去离子水中，制得0.20moL/L氯化钾水溶液。将磷钨酸溶于去离子水中，制得0.0030moL/L磷钨酸水溶液。再取5mL氯化钾水溶液逐滴加入10mL磷钨酸水溶液中，经反应得到沉淀物，将沉淀物以水和乙醇洗涤后干燥，即得粉末状K3PW12O40纳米材料。对粉末状K3PW12O40纳米材料进行SEM测试：图1为放大10000倍下的扫描电子显微镜照片，其显示典型的球状结晶结构，可以为扩散和储存电解质离子提供大的比表面积。2、取0.4g粉末状K3PW12O40纳米材料溶解在20mL去离子水中，得到钨酸盐水溶液。将0.0249gCo(CH3COO)2•4H2O溶于20mL去离子水中，得钴盐水溶液。将钨酸盐水溶液和钴盐水溶液混合，在120℃条件下水热反应8小时，得到的灰色沉淀物，用去离子水和乙醇分别洗涤3次后干燥，即得到球状CoWO4纳米材料。二、球状CoWO4纳米材料的特征：对球状CoWO4纳米材料进行SEM测试：图2为球状CoWO4纳米材料的扫描电镜图，其样品表面为针形的球状结构。对球状CoWO4纳米材料进行TEM测试：图3为球状CoWO4纳米材料的透射电镜图，样品为实心球并且其表面为针形结构。对球状CoWO4纳米材料进行XRD测试：图4为球状CoWO4纳米材料的X射线衍射图，其峰可以和标准峰对上，从而表明所合成的样品为所需要的样品。三、电催化电极的制备：1、将直径为3mm的玻碳电极分别用吸附了1μm氧化铝悬浮液的砂纸和吸附了0.3μm氧化铝悬浮液的砂纸打磨抛光。2、将打磨抛光好的玻碳电极依次放在去离子水中超声清洗1分钟后，在0.5MKCl+K3[Fe(CN)6]溶液中扫描循环伏安曲线，以测试电极是否磨好，最后取得洁净的玻碳电极，晾干以待用。3、取6mg制备取得的球状CoWO4纳米材料加入由800mLH2O和200mLNafion混合组成的Nafion水溶液中，超声混合，制成混合溶液，随后将5μL混合溶液采用涂覆的方法修饰在直径为3mm的洁净的玻碳电极表面，自然晾干后即得球状CoWO4电催化电极。四、电极的电催化性能试验：以氢氧化钾作为电解液，其中，氢氧化钾浓度为1mol/L。将球状CoWO4电催化电极放置在1mol/L的KOH溶液中进行测定。利用电化学工作站，将制备的待测电极在事先通入大约半小时氮气的电解质溶液中，在0.0～0.5V之间的电位下，扫描速率控制为0.05V/s，先进行循环伏安扫描，然后在0.0～1.90V之间的电位下，扫描速率控制为100mV/s，进行线性伏安扫描，测试样品的电化学性能。图5显示了样品CoWO4修饰的电极在电位（相对于标准氢电极）为0.90-1.45V范围内显示无明显的氧化还原峰。图6显示了样品CoWO4修饰的电极在电位（相对于标准氢电极）为0.0-1.90V在1mol/L氢氧化钾电解质溶液中显示出良好的OER电催化性能，在电流密度为10mAcm-2时对应的电压为1.83V。本文档来自技高网...

【技术保护点】
球状CoWO4纳米材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将氯化钾水溶液与磷钨酸水溶液混合后常温下搅拌反应，取得沉淀物以水和乙醇洗涤后干燥，即得K3PW12O40纳米材料；2）将K3PW12O40纳米材料溶于去离子水中，制得钨酸盐溶液；3）将钨酸盐水溶液与乙酸钴水溶液混合进行水热反应，取得沉淀物用水和乙醇洗涤后干燥，即得球状CoWO4纳米材料。

【技术特征摘要】
1.球状CoWO4纳米材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将氯化钾水溶液与磷钨酸水溶液混合后常温下搅拌反应，取得沉淀物以水和乙醇洗涤后干燥，即得K3PW12O40纳米材料；2）将K3PW12O40纳米材料溶于去离子水中，制得钨酸盐溶液；3）将钨酸盐水溶液与乙酸钴水溶液混合进行水热反应，取得沉淀物用水和乙醇洗涤后干燥，即得球状CoWO4纳米材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤1）中氯化钾和磷钨酸的混合体积比为1∶2。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞欢，张丽，耿朋彪，沈万鑫，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32