一种镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料及其制备方法、以及电解水制氢的方法技术

本发明专利技术提供了一种镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料及其制备方法、以及电解水制氢的方法。本发明专利技术采用式(Ⅰ)所示的镧系金属掺杂LaCoO

【技术实现步骤摘要】
一种镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料及其制备方法、以及电解水制氢的方法
本专利技术涉及纳米材料领域，特别涉及一种镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料及其制备方法、以及电解水制氢的方法。
技术介绍
氢气被认为是一种非常绿色环保的清洁能源，具有能量密度高、环境污染小等优点。电解水制氢能够有效实现化学能与电能的转换，对高效利用可再生洁净能源发挥重要作用。电解水由两个半反应组成：电催化析氢反应(HER)和电催化析氧反应(OER)；其中，氢气析出反应(HER)是电解水的阴极反应，氧气析出反应是电解水的阳极反应。对于上述各类型反应，催化剂是电催化反应的关键。而不同的反应，所需催化剂不同，如电催化析氢反应最好的催化剂为Pt系贵金属，而电催化析氧反应通常是RuO2、IrO2。目前，主要的电解水制氢方法包括碱性电解水制氢和酸性电解水制氢。然而该过程需要利用有腐蚀性的碱液和酸液作为电解液，对催化剂和集流体有着较为苛刻的要求。因此，发展在中性电解液条件下具有优异活性的催化剂具有广泛的应用前景。而由于中性电解液与酸、碱电解液的体系环境及性质不同，在酸/碱电解液中适用的电催化剂在中性电解液中会产生怎样的效果并未可知。虽然钌和铱基贵金属在中性电解液条件下，也具有较好的电催化析氧活性，但是其较高的价格限制其广泛的应用。因此，开发在中性电解液条件具有高活性、低成本的析氧电催化剂材料面临着巨大的挑战。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料及其制备方法、以及电解水制氢的方法。本专利技术提供的镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料能够有效提高中性电解液中电催化析氧的产氧催化效果。本专利技术提供了一种镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料，所述镧系金属掺杂钴酸镧具有式(I)所示结构：(La1-xAx)CoO3(I)；其中，镧系金属掺杂元素A为Ce、Pr、Nd、Sm和Gd中的一种或几种；0＜x≤0.5。优选的，所述纳米管材料的外径为80～300nm，内径为30～200nm；所述纳米管材料的管壁由镧系金属掺杂钴酸镧纳米颗粒搭接组成；所述纳米颗粒的粒度为5～20nm。优选的，所述纳米管材料的比表面积为35～50m2/g。本专利技术还提供了一种上述技术方案中所述的镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料的制备方法，包括以下步骤：a)将碲纳米线、碳源化合物和水混合，进行热处理，得到碳纳米纤维分散液；b)将所述碳纳米纤维分散液与镧盐、钴盐、掺杂元素金属盐和尿素混合后，进行水热反应，得到金属前驱体包覆的碳纳米纤维；c)对所述金属前驱体包覆的碳纳米纤维进行热处理，得到镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料；所述镧系金属掺杂钴酸镧具有式(I)所示结构：(La1-xAx)CoO3(I)；其中，镧系金属掺杂元素A为Ce、Pr、Nd、Sm和Gd中的一种或几种；0＜x≤0.5。优选的，所述碲纳米线通过以下方法制得：S1、将碲源化合物、表面活性剂、还原剂、碱性pH调节剂和水混合进行水热反应，得到碲纳米线分散液；S2、将所述碲纳米线分散液与有机溶剂混合后，进行固液分离，得到碲纳米线。优选的，所述步骤a)中：所述碲纳米线与碳源化合物的摩尔比为(0.06～0.14)∶(6～14)；所述碳源化合物选自葡萄糖、果糖和蔗糖中的一种或几种；所述碲纳米线在水中的浓度为2.0～4.8mmol/L；所述热处理的温度为150～200℃，时间为3～12h；所述步骤c)中：所述热处理的温度为600～700℃，时间为1～4h。优选的，所述步骤b)中：所述镧盐为硝酸镧和/或氯化镧；所述钴盐为硝酸钴、氯化钴和乙酸钴中的一种或几种；所述掺杂元素金属盐为硝酸盐；所述镧盐与掺杂元素金属盐的总摩尔量与钴盐的摩尔比为(0.5～1.25)∶(0.8～2)；所述钴盐与尿素的摩尔比为(0.8～2)∶(6～16)；所述钴盐在所述碳纳米纤维分散液中的浓度为26～66mmol/L；所述水热反应的温度为100～160℃，时间为2～8h。优选的，所述碲源化合物为亚碲酸钠；所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮；所述还原剂为水合肼；所述碱性pH调节剂为氨水。本专利技术还提供了一种电解水制氢的方法，电解体系中阳极上负载的析氧催化剂为上述技术方案中所述的镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料或上述技术方案中所述的制备方法制得的镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料。优选的，所述电解体系中的电解液为中性电解液或碱性电解液。本专利技术采用式(I)所示的镧系金属掺杂LaCoO3，并形成纳米管材料，其具有高比表面积，能够暴露更多的活性位点，同时，不同镧系金属掺杂后，能够优化钴的氧化态和配位环境，进而优化钴氧共价键的强度；将其作为析氧催化剂，能够显著提升电催化析氧的催化活性。实验结果表明，与LaCoO3相比，本专利技术提供的镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料能够显著提高电催化析氧活性，在过电位为0.5V时，电流密度达到2mA/cm2以上，是钙钛矿材料的1.3倍以上；其中，掺杂元素为Sm时，电流密度高达6.3mA/cm2，是钙钛矿材料的4倍以上，表现出优异的电催化析氧活性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为实施例1所得LaCoO3型钙钛矿纳米管材料的TEM图；图2为实施例2所得Ce掺杂的LaCoO3型钙钛矿纳米管材料的TEM图；图3为实施例3所得Pr掺杂的LaCoO3型钙钛矿纳米管材料的TEM图；图4为实施例4所得Nd掺杂的LaCoO3型钙钛矿纳米管材料的TEM图；图5为实施例5所得Sm掺杂的LaCoO3型钙钛矿纳米管材料的TEM图；图6为实施例6所得Gd掺杂的LaCoO3型钙钛矿纳米管材料的TEM图；图7为实施例1～6所得产物的XRD图；图8为实施例1～6所得产物的电催化氧气析出反应的极化曲线图；图9为实施例8与实施例1,5所得产物的电催化氧气析出反应的极化曲线图；图10为对比例1与实施例1所得产物的电催化氧气析出反应的极化曲线图。具体实施方式本专利技术提供了一种镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料，所述镧系金属掺杂钴酸镧具有式(I)所示结构：(La1-xAx)CoO3(I)；其中，镧系金属掺杂元素A为Ce、Pr、Nd、Sm和Gd中的一种或几种；0＜x≤0.5。本专利技术采用式(I)所示的镧系金属掺杂LaCoO3，并形成纳米管材料，其具有高比表面积，能够暴露更多的活性位点，同时，不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料，所述镧系金属掺杂钴酸镧具有式(Ⅰ)所示结构：/n(La

【技术特征摘要】
1.一种镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料，所述镧系金属掺杂钴酸镧具有式(Ⅰ)所示结构：
(La1-xAx)CoO3(Ⅰ)；
其中，
镧系金属掺杂元素A为Ce、Pr、Nd、Sm和Gd中的一种或几种；
0＜x≤0.5。


2.根据权利要求1所述的纳米管材料，其特征在于，所述纳米管材料的外径为80～300nm，内径为30～200nm；
所述纳米管材料的管壁由镧系金属掺杂钴酸镧纳米颗粒搭接组成；
所述纳米颗粒的粒度为5～20nm。


3.根据权利要求1所述的纳米管材料，其特征在于，所述纳米管材料的比表面积为35～50m2/g。


4.一种权利要求1～3中任一项所述的镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将碲纳米线、碳源化合物和水混合，进行热处理，得到碳纳米纤维分散液；
b)将所述碳纳米纤维分散液与镧盐、钴盐、掺杂元素金属盐和尿素混合后，进行水热反应，得到金属前驱体包覆的碳纳米纤维；
c)对所述金属前驱体包覆的碳纳米纤维进行热处理，得到镧系金属掺杂钴酸镧型纳米管材料；所述镧系金属掺杂钴酸镧具有式(Ⅰ)所示结构：
(La1-xAx)CoO3(Ⅰ)；
其中，
镧系金属掺杂元素A为Ce、Pr、Nd、Sm和Gd中的一种或几种；
0＜x≤0.5。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碲纳米线通过以下方法制得：
S1、将碲源化合物、表面活性剂、还原剂、碱性pH调节剂和水混合进行水热反应，得到碲纳米线分散液；
S2、将所述碲纳米线分散液与有机溶剂混合后，进行固液分离，得到碲纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞书宏，余自友，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34