一种自支撑磷化钴纳米线电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种自支撑磷化钴纳米线电极的制备方法，包括步骤：S1，将钴材料与草酸进行固液反应，得钴材料表面原位生长草酸钴；S2、将所述钴材料表面原位生长草酸钴与磷源在热处理的条件下结合，得所述自支撑磷化钴纳米线电极。通过将富含钴的磷化钴纳米线原位生长在钴材料表面，得到了活性高、选择性好、稳定性佳、以及具有纳米线特殊形貌的自支撑磷化钴电极，其不仅能避免催化剂的团聚，更具有较高的电荷密度和更多的电化学活性位点，还能形成自支撑的纳米线结构。支撑的纳米线结构。支撑的纳米线结构。

【技术实现步骤摘要】
一种自支撑磷化钴纳米线电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及自支撑电极制备领域，尤其涉及一种自支撑磷化钴纳米线电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]电极材料在电化学反应系统中处于“心脏”地位，是实现电化学清洁能源的储存和转化的关键。虽然传统贵金属展现出较高的活性和稳定性，但由于贵金属成本高昂，其研究仅停留在实验室阶段。因此，非贵金属电极具有更广泛的应用前景。钴作为一种常见的非贵金属，我国钴资源储量高达2344万吨。泡沫钴、钴片、以及钴箔等钴材料由于具有成本低、结构稳定等优点是一种优良的电极材料。但是它们本身的电子传递速率低和催化活性差，致使其在电催化反应中的应用前景不好。如何在保留它们原有优点的基础上提升其电子传递效率和催化活性仍是电极材料制备的难题。
[0003]磷化钴(Co
x
P
y
)具有独特的电子结构，已在氧还原、氢析出，二氧化碳还原、有机合成等催化领域中证明了其优势。一般情况下，磷富集的Co
x
P
y
即x<y拥有丰富的磷
‑
磷键，这类Co
x
P
y
通常是不稳定的。然而，金属富集的Co
x
P
y
即x>y含有大量金属键，在一定的条件下，可以表现出金属甚至超导体的性能。催化剂的尺寸和形貌对其活性、选择性和稳定性发挥着巨大的作用，该领域被大量研究并取得了重要的成果，同时催化剂的形貌和尺寸的研究也由片状到纳米颗粒最后进入到纳米线阶段。但是，如何将具有纳米线结构的催化剂制备成为电极仍然是当前研究的热点和难点。
[0004]针对上述难点，目前，研究者通常利用聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯等高分子化合物粘结剂将催化剂负载于集流体表面。虽然这种方法操作简便易行，但易导致催化剂被包裹在粘结剂内部，导致大量的活性位点难以参与功能反应而成为无效位点，同时粘结剂的不导电性，将极大降低电极的电子传递速率。此外，该方法制备的电极集流体表面与催化剂并没有紧密的结合，使得其稳定性较低。
[0005]因此，无粘结剂的催化剂和集流体耦合技术是当前制备复合电极的重点攻坚方向，即自支撑电极。然而，现有研究中，自支撑磷化钴电极表面负载的催化剂均为纳米颗粒或片状，仍然存在团聚或催化活性低的问题，极大地制约着高活性可实用催化剂的进一步发展。
[0006]鉴于此，有必要提供一种原位生长的自支撑磷化钴纳米线电极，以解决或至少缓解上述现有电极材料稳定性差、催化活性低的缺陷。

技术实现思路

[0007]本专利技术的主要目的是提供一种原位生长的自支撑磷化钴纳米线电极，旨在解决上述现有电极材料稳定性差、催化活性低的技术问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了一种自支撑磷化钴纳米线电极的制备方法，包括步骤：
[0009]S1，将钴材料与草酸进行固液反应，得钴材料表面原位生长草酸钴；
[0010]S2、将所述钴材料表面原位生长草酸钴与磷源在热处理的条件下结合，得所述自支撑磷化钴纳米线电极。
[0011]进一步地，所述钴材料包括泡沫钴、钴片和钴箔中的一种。
[0012]进一步地，在所述步骤S1中，所述钴材料与所述草酸的摩尔比为1:0.1
‑
5mol。
[0013]进一步地，所述固液反应的反应温度为20
‑
80℃，所述固液反应的反应时长为0.5
‑
6h。
[0014]进一步地，所述固液反应的过程包括：将所述钴材料在所述草酸溶液中进行搅拌操作。
[0015]进一步地，所述磷源包括次磷酸二氢盐、红磷、以及白磷中的一种或多种。
[0016]进一步地，在所述步骤S2中，所述钴材料表面原位生长草酸钴与磷源的摩尔比为1:1
‑
10mol。
[0017]进一步地，所述热处理包括：在惰性气氛下进行梯度升温，在升温至200
‑
300℃后保温处理30min以上，然后再升温至400
‑
700℃，并保温120min以上。
[0018]本专利技术还提供一种自支撑磷化钴纳米线电极，采用如上述任意一项所述的制备方法进行制备。
[0019]本专利技术还提供一种电化学反应装置，包括如上述任意一项所述的自支撑磷化钴纳米线电极。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0021]本专利技术提供了一种原位生长的自支撑磷化钴纳米线电极，在制备过程中，将富含钴的磷化钴纳米线与钴材料耦合，得到了活性高、选择性好、稳定性佳以及具有纳米线特殊形貌的自支撑磷化钴电极，其不仅能避免催化剂的团聚，更具有较高的电荷密度和更多的电化学活性位点，还能形成自支撑的纳米线结构。
[0022]具体地：通过将将钴材料与草酸在进行固液反应，使钴在酸性溶液中表面溶解产生钴离子，其与草酸结合形成草酸钴，初始形成的草酸钴起到晶种诱导的作用，逐步成长最终在钴材料表面原位生长出草酸钴纳米线；而后，钴材料表面的草酸钴在高温下发生热解，同时在该过程中加入磷源，从而形成自支撑结构的磷化钴纳米线。
附图说明
[0023]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一些实施例，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，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0024]图1为实施例1中获得的样品一的扫描电镜图；
[0025]图2为实施例1中获得的样品一的能谱分析图；
[0026]图3为对比例1中获得的样品二的扫描电镜图；
[0027]图4为实施例2中电化学反应装置的结构示意图(未示出对电极和参比电极)；
[0028]图5为实施例2中处理高浓度硝酸盐废水的数据效果图。
[0029]附图标记：1、第一壳体；2、第一垫片；3、质子交换膜；4、第二垫片；5、第二壳体；6、
第三垫片；7、自支撑磷化钴纳米线电极；8、防水透气膜；9、第四垫片；10、第三壳体。
[0030]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0031]下面将结合本专利技术实施方式中的附图，对本专利技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本专利技术的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本专利技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利技术保护的范围。
[0032]需要说明，本专利技术实施方式中所有方向性指示(诸如上、下
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0033]另外，在本专利技术中如涉及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自支撑磷化钴纳米线电极的制备方法，其特征在于，包括步骤：S1，将钴材料与草酸进行固液反应，得钴材料表面原位生长草酸钴；S2、将所述钴材料表面原位生长草酸钴与磷源在热处理的条件下结合，得所述自支撑磷化钴纳米线电极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钴材料包括泡沫钴、钴片和钴箔中的一种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述钴材料与所述草酸的摩尔比为1:0.1
‑
5mol。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述固液反应的反应温度为20
‑
80℃，所述固液反应的反应时长为0.5
‑
6h。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述固液反应的过程包括：将所述钴材料在所述草酸的溶液中进行搅拌操作。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚福兵，唐崇俭，李智卓，吴星，柴立元，林璋，闵小波，唐溪，刘治功，高天宇，肖睿洋，赵飞平，刘恢，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：