自支撑铠甲催化剂的制备方法及其应用技术

一种自支撑铠甲催化剂的制备方法及其应用，属于电催化剂技术领域，所述制备方法是采用天然软生物质杏鲍菇作为前驱体，将其浸渍在Co盐溶液中，使钴以离子形式吸附在生物质上，然后通过碳化使生物质碳化为具有稳固结构的石墨碳，并且生物质自身可以作为一部分的磷化来源，在碳化过程中充当磷化剂将部分Co金属磷化，最后经过进一步磷化处理，以使Co金属被完全磷化，以Co2P形式存在，即可直接得到自支撑铠甲催化剂。该制备方法操作简单，原材料易获取且成本低，制得的自支撑铠甲催化剂可以直接作为电催化分解水的双功能电极使用，避免了导电剂以及粘结剂的使用，有利于大规模生产应用。用。

【技术实现步骤摘要】
自支撑铠甲催化剂的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于电催化剂
，具体涉及自支撑铠甲催化剂的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]电催化分解水是最有前景的绿色制氢方法之一，该过程包含阴极的析氢反应(HER)和阳极的析氧反应(OER)。在2012年，包信和院士首次提出铠甲催化剂这一概念，铠甲催化剂由铠甲层和封装金属纳米颗粒两部分组成。催化活性来源于铠甲层局部电子态的扰动和电子从金属纳米颗粒向外表面的转移，从而产生更好的电催化活性以及稳定性。由此，铠甲催化剂成为人们研究的热点。
[0003]然而，现有技术合成铠甲催化剂使用设备多，使用药品种类多，合成步骤复杂，且原材料需另外制备，如使用碳纳米管、石墨烯等作为碳载体，而此类碳载体制备成本高，制备工艺复杂，且制得的催化剂多以粉末形态存在，使用时还需要用到导电剂以及粘结剂等进行稳定，上述缺点导致铠甲催化剂难以实现大规模生产应用。因此寻找一种简单、高效的方法合成价格相对低廉、机械稳定性好的铠甲催化剂，对于推进大规模电催化分解水进程至关重要。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种自支撑铠甲催化剂的制备方法，该方法操作简单，成本低，制得的自支撑铠甲催化剂机械稳定性好，有利于大规模生产应用。
[0005]本专利技术还提供了一种所述自支撑铠甲催化剂的应用。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种自支撑铠甲催化剂的制备方法的制备方法，包括以下步骤：将天然杏鲍菇沿生长方向切成预定大小的薄片，于室温下浸渍在Co盐溶液中，冷冻干燥过夜，得到PE
‑
Co
2+
切片；将PE
‑
Co
2+
切片放置于马弗炉中进行低温碳化，随后于管式炉在氮气气氛中进行高温碳化，碳化后的产物经打磨、超声清洗，得到Co/Co2P@CPE中间体；将Co/Co2P@CPE中间体用次亚磷酸钠粉末包埋后置于管式炉在氮气气氛中进行焙烧，使Co/Co2P@CPE中间体进行磷化，得到Co2P@CPE样品，即所述自支撑铠甲催化剂。
[0007]优选的，所述步骤（1）中，所述Co盐溶液浓度为0.2
‑
0.3M的Co(NO3)2溶液。
[0008]优选的，所述步骤（2）中，所述低温碳化温度为250
‑
300℃，时间为4
‑
7h，所述高温碳化温度为800
‑
1000℃，时间为2
‑
6h，两次碳化升温速率均为2
‑
10℃/min，气体流速为40mL/min。
[0009]优选的，所述步骤（2）中，所述后处理操作为：所述步骤（2）中，所述打磨采用2000目砂纸对碳化后的产物打磨，使其厚度达到600μm。
[0010]优选的，所述步骤（2）中，采用乙醇和水超声清洗3次，以去除残留的碳。
[0011]优选的，所述步骤（3）中，所述焙烧温度为250
‑
350℃，时间为1.5
‑
2.5h，升温速率为2
‑
10℃/min，气体流速为40mL/min。
[0012]一种由上述制备方法制得的自支撑铠甲催化剂作为电催化分解水的双功能电极的应用。
[0013]由上述技术方案可知，本专利技术提供了一种自支撑铠甲催化剂的制备方法及其应用，其有益效果是：所述制备方法是采用天然软生物质杏鲍菇作为前驱体，将其浸渍在Co盐溶液中，使Co以离子形式吸附在杏鲍菇的纤维孔道上，得到PE
‑
Co
2+
，然后将PE
‑
Co
2+
碳化，使生物质碳化为具有稳固结构的石墨碳（CPE），且由于生物质自身可以作为一部分的磷化来源，在碳化过程中可以充当磷化剂将部分Co金属磷化，得到Co/Co2P@CPE中间体，最后对Co/Co2P@CPE中间体进行进一步磷化处理，使Co金属被完全磷化以Co2P纳米颗粒形式存在，得到的Co2P@CPE样品即为自支撑铠甲催化剂；所述自支撑铠甲催化剂通过外部稳固的石墨碳壳层对内部的Co2P纳米颗粒进行封装，以有效地保护内部Co2P纳米颗粒免受腐蚀反应环境的影响，并且充当“活性来源”的Co2P纳米颗粒可以向外部碳壳层转移更多的电子，从而有效激发了碳壳层表面，从而使自支撑铠甲催化剂具有优异的催化活性以及更好的稳定性。该制备方法操作简单，原材料易获取且成本低，制得的自支撑铠甲催化剂可以直接作为电催化分解水的双功能电极使用，避免了导电剂以及粘结剂的使用，有利于大规模生产应用。
附图说明
[0014]图1是Co2P@CPE的扫描电子显微镜(SEM)图片。
[0015]图2是Co2P@CPE的透射电镜(TEM)图片。
[0016]图3是CPE和Co2P@CPE的X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)结果。
[0017]图4是Co2P@CPE的HER及OER活性试验结果。
[0018]图5是Co2P@CPE作为双功能电极组装分解水器件进行测试的结果。
具体实施方式
[0019]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合本附图及实施例，对本专利技术做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本专利技术，为本专利技术部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本专利技术。
[0020]本专利技术提供了一种自支撑铠甲催化剂的制备方法的制备方法，包括以下步骤：（1）将天然杏鲍菇沿生长方向切成预定大小的薄片，于室温下浸渍在Co盐溶液中，使Co以离子形式吸附在杏鲍菇的纤维孔道上，冷冻干燥过夜，得到PE
‑
Co
2+
切片；具体的，将天然杏鲍菇沿生长方向切成2.5cm
×
2.5cm
×
1mm的薄片，并在0. 2M Co(NO3)2溶液中，室温下吸附1h后，冷冻干燥过夜，使Co
2+
吸附在杏鲍菇蓬松的纤维孔道内。此步骤中，将天然杏鲍菇沿生长方向切割，使得后续煅烧得到的碳材料仍保持完整原始生物质的微观结构，具有发达的孔隙结构，有利于电子传输。
[0021]（2）将PE
‑
Co
2+
切片放置于马弗炉中进行低温碳化，随后于管式炉在氮气气氛中进行高温碳化，碳化后的产物经打磨、超声清洗，得到Co/Co2P@CPE中间体；在一具体实施方式中，将冷冻干燥后的PE
‑
Co
2+
切片放置于马弗炉中，在马弗炉中260℃的热解温度下，煅烧6h，进行低温碳化，以除去生物质中多余的焦油，随后转移到气氛
管式炉中，在40mL/min的氮气流速下，以5℃/min的升温速率下，升温1000℃，保温6h，进行高温碳化，使不导电或导电性差的生物质材料转变为拥有超高石墨化程度的导电的碳材料，碳化后的产物放置在氩气气氛下冷却至室温后，用2000目砂纸仔细打磨，使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自支撑铠甲催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将天然杏鲍菇沿生长方向切成预定大小的薄片，于室温下浸渍在Co盐溶液中，使Co以离子形式吸附在杏鲍菇的纤维孔道上，冷冻干燥过夜，得到PE
‑
Co
2+
切片；将PE
‑
Co
2+
切片放置于马弗炉中进行低温碳化，随后于管式炉在氮气气氛中进行高温碳化，碳化后的产物经打磨、超声清洗，得到Co/Co2P@CPE中间体；将Co/Co2P@CPE中间体用次亚磷酸钠粉末包埋后置于管式炉在氮气气氛中进行焙烧，使Co/Co2P@CPE中间体进行磷化，得到Co2P@CPE样品，即所述自支撑铠甲催化剂。2.如权利要求1所述的自支撑铠甲催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述Co盐溶液浓度为0.2
‑
0.3M的Co(NO3)2溶液。3.如权利要求1所述的自支撑铠甲催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述低温碳化温度为250
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【专利技术属性】
技术研发人员：敏世雄，王芳，李雯静，张正国，
申请(专利权)人：北方民族大学，
类型：发明
国别省市：