一种氧化铈修饰的二硒化钴催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种氧化铈修饰的二硒化钴催化剂及其制备方法和应用，该氧化铈修饰的二硒化钴催化剂的制备方法，包括如下步骤：将碳布置于可溶性钴盐和可溶性铈盐的混合溶液中，进行水热反应，得到氢氧化钴和氢氧化铈包覆的碳布；将氢氧化钴和氢氧化铈包覆的碳布于保护气氛下保温，得到铈钴氧化物；将铈钴氧化物和硒粉置于双温区管式炉中并在还原性气氛中保温，硒粉位于300～375℃的上游区，铈钴氧化物位于300～500℃的下游区，保温结束后下游区所制得的产物即所述催化剂。本发明专利技术制得的催化剂在碱性条件下对电解水阳极析氧反应具有优异的电化学活性，极大的降低了阳极反应所需电压，降低了电解水电能消耗，提高了电解水产氢效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铈修饰的二硒化钴催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电催化剂
，尤其涉及一种氧化铈修饰的二硒化钴催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]化石燃料的大量使用带来了严重的能源危机和环境污染，促使人们高度重视可再生能源的开发，氢能由于其清洁无污染、燃烧值高引起了人们的广泛关注。电解水制氢技术装置简单、产物纯度高、二次污染少，被认为是最理想的制氢技术之一。电解水由两个半反应组成：析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。但OER过程需要克服高反应能垒、迟缓的反应动力学以及多个质子和电子转移的耦合问题，因此，OER决定着整体水分解的效率。迄今为止，RuO2和IrO2被认为是OER活性最高的电催化剂。然而，高成本和资源短缺严重阻碍了它们的大规模应用。因此，开发经济有效的非贵金属电催化剂引起了科研工作者们极大的兴趣。
[0003]近年来，钴基金属化合物电催化剂因其钴元素具有优异的氧化还原性能、成本低廉等特点，成为构建高效低成本电催化产氧催化剂的理想材料。其中，CoSe2作为一种典型的钴基金属化合物，具有独特的局部金属键连结构，金属特性显著，导电性较高，在电解水析氧反应中展现了广阔的应用前景。尽管过渡金属硒化物的高电导率使其成为出色的电催化剂，但仍需要进一步提高其水分解性能。掺杂元素或制造缺陷结构已被证明是通过调节电子结构和优化中间体吸收能来进一步提高催化剂对OER的固有活性的有效方法。近年来，氧化铈作为一种过渡金属氧化物,因具有丰富的氧空位缺陷以及Ce
3+
和Cer/>4+
状态之间的灵活转化等特点，使其成为催化领域的热点材料。然而，制造的缺陷可控性差并且电子传导性降低。近年来，理论和实验研究均表明，通过掺杂异原子可以大大提高过渡金属催化剂的OER电催化性能。掺杂可以调节电子结构，增加活性位点，提高电导率，加快动力学并优化中间体的吸附/解吸能。基于这些研究，可以合理地假设，将氧化铈掺杂到电催化剂中将是提高水分解电催化性能的有效方法。

技术实现思路

[0004]针对现有技术不足，本专利技术的目的在于提出一种氧化铈修饰的二硒化钴催化剂及其制备方法和应用。该催化剂催化活性高，氧化铈的掺杂使得催化剂暴露出更多的氧空位缺陷，加速氧的析出，利于析氧反应的发生，从而降低了阳极析氧反应的过电势，且具有极佳的导电性，大幅度提高了二硒化钴的电解水产氢效率。
[0005]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0006]一种氧化铈修饰的二硒化钴催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0007](1)将碳布置于可溶性钴盐和可溶性铈盐的混合溶液中，在100～180℃下进行水热反应，得到氢氧化钴和氢氧化铈包覆的碳布；
[0008](2)将步骤(1)所述的氢氧化钴和氢氧化铈包覆的碳布于保护气氛下在300～450℃下保温1～3h，得到铈钴氧化物；该步骤是为了脱去部分结晶水；
[0009](3)将步骤(2)所述的铈钴氧化物和硒粉置于双温区管式炉中并在氢气气氛中保温1～2h，硒粉位于300～375℃的上游区，铈钴氧化物位于300～500℃的下游区，保温结束后下游区所制得的产物即所述氧化铈修饰的二硒化钴催化剂。
[0010]优选的，步骤(1)所述碳布在使用前进行了如下的预处理：将碳布加热至600～700℃除去碳布表面油性物质，然后用去离子水超声清洗，除去碳布表面残余的杂质。
[0011]优选的，步骤(1)所述钴盐和铈盐的混合溶液按照如下步骤制备得到：将可溶性钴盐、可溶性铈盐和尿素加入到水中，搅拌至完全溶解后即可，所述可溶性钴盐的浓度为0.01～0.34mol/L，所述可溶性钴盐和可溶性铈盐的摩尔比为2～50：1；所述尿素的浓度为1.67mol/L。
[0012]优选的，步骤(1)所述水热反应的时间为6～12h。
[0013]优选的，步骤(1)所述可溶性钴盐为硫酸钴、硝酸钴和乙酸钴中的至少一种。
[0014]优选的，步骤(1)所述可溶性铈盐为硝酸铈、硫酸铈铵水合物和硫酸铈中至少一种。
[0015]优选的，步骤(2)所述保护气氛为N2和Ar中的至少一种。
[0016]优选的，步骤(3)所述硒粉的用量不少于步骤(1)所述可溶性钴盐的摩尔量的60％。
[0017]优选的，步骤(3)所述还原性气氛为氢气。
[0018]上述一种氧化铈修饰的二硒化钴催化剂的制备方法制备得到的氧化铈修饰的二硒化钴催化剂。
[0019]上述氧化铈修饰的二硒化钴催化剂在制备电催化析氧材料中的应用。
[0020]本专利技术的反应机理为：利用水热反应得到在碳布上生长均匀的氢氧化钴和氢氧化铈前驱体，再在保护气氛中高温热处理去除前驱体中含有的部分结晶水(利于硒化反应的进行)，得到铈钴氧化物，最后采用化学气相沉积法在还原性气氛下合成目标产物：一种氧化铈修饰的二硒化钴催化剂。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果包括：
[0022]本专利技术提供了一种氧化铈修饰的二硒化钴催化剂及其制备方法和应用，该催化剂催化活性高，氧化铈的掺杂使得催化剂暴露出更多的氧空位缺陷，加速氧的析出，利于析氧反应的发生，从而降低了阳极析氧反应的过电势，且电极表面电荷转移动力学加快，加快催化反应速率，进一步提高了二硒化钴的电解水产氢效率。
附图说明
[0023]图1为实施例1制备的氧化铈修饰的二硒化钴催化剂的X射线衍射XRD图。
[0024]图2为实施例1制备的氧化铈修饰的二硒化钴催化剂材料和二硒化钴的析氧性能测试对比图。
[0025]图3为实施例1制备的氧化铈修饰的二硒化钴催化剂材料和二硒化钴的电化学阻抗谱测试对比图。
具体实施方式
[0026]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术
进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0027]实施例所述的碳布购于CoTech科技公司，WOS1009型。
[0028]实施例1
[0029]一种氧化铈修饰的二硒化钴催化剂的制备方法，步骤如下：
[0030](1)首先对碳布进行预处理：将尺寸为1cm
×
3cm的碳布置于管式炉中，在空气中加热至600℃并保温30min以除去表面不亲水的涂层，然后用去离子水超声处理30min后清洗，除去碳布表面残余的杂质；
[0031](2)将0.01mol硝酸钴，0.001mol硝酸铈、0.05mol尿素加入30mL去离子水中搅拌30min，得到钴盐和铈盐的混合溶液，将步骤(1)预处理后的碳布放入钴盐和铈盐的混合溶液中于120℃水热反应6小时，在碳布上生长得到氢氧化钴和氢氧化铈，将氢氧化钴和氢氧化铈包覆的碳布用去离子水和无水乙醇洗涤2～3次，放入60℃的鼓风干燥箱中烘干备用；
[0032](3)将步骤(2)中烘干后的氢氧化钴和氢氧化铈包覆的碳布置于管式炉中热处理，热处理参数设置为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化铈修饰的二硒化钴催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将碳布置于可溶性钴盐和可溶性铈盐的混合溶液中，在100～180℃下进行水热反应，得到氢氧化钴和氢氧化铈包覆的碳布；(2)将步骤(1)所述的氢氧化钴和氢氧化铈包覆的碳布于保护气氛下在300～450℃下保温1～3h，得到铈钴氧化物；(3)将步骤(2)所述的铈钴氧化物和硒粉置于双温区管式炉中并在还原性气氛中保温1～2h，硒粉位于300～375℃的上游区，铈钴氧化物位于300～500℃的下游区，保温结束后下游区所制得的产物即所述氧化铈修饰的二硒化钴催化剂。2.根据权利要求1所述一种氧化铈修饰的二硒化钴催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述钴盐和铈盐的混合溶液按照如下步骤制备得到：将可溶性钴盐、可溶性铈盐和尿素加入到水中，搅拌至完全溶解后即可，所述可溶性钴盐的浓度为0.01～0.34mol/L，所述可溶性钴盐和可溶性铈盐的摩尔比为2～50：1；所述尿素的浓度为1.67mol/L。3.根据权利要求1所述一种氧化铈修饰的二硒化钴催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述硒粉的用量不少于步骤(1)所述可溶性钴盐的摩尔量的6...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭祥，徐宝钗，李荣，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：