具有催化活性的Co3O4@Fe-B-O异质催化剂及其制备和应用制造技术

本发明专利技术属于金属电催化剂技术领域，具体涉及具有催化活性的Co3O4@Fe

【技术实现步骤摘要】
具有催化活性的Co3O4@Fe
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B
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O异质催化剂及其制备和应用


[0001]本专利技术属于金属电催化剂
，具体涉及具有催化活性的Co3O4@Fe
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B
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O异质催化剂及其制备和应用。

技术介绍

[0002]日益严重的能源危机和环境污染，迫使人类寻求一种可再生的清洁能源来替代传统化石能源。氢能因其零排放、燃烧热值高，被认为是一种理想的替代品。电解水制氢技术成熟、工艺简单，是一种高效的产氢途径。电解水由两个半反应组成，与阴极的析氢反应(HER)相比，阳极的析氧反应(OER)涉及复杂的质子
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电子耦合过程，动力学缓慢，是限制电解水制氢的主要因素。制备高效的OER催化剂可以加速水分解效率。贵金属基催化剂如Ir
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、Ru
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等电催化性能突出，但其高昂的成本限制了其大规模应用。因此，开发储量丰富、价格低廉的高效催化剂具有很大的实用价值。
[0003]过渡金属氧化物Co3O4具有很高的内在催化活性和电化学稳定性，且成本很低，被认为是最有潜力的电化学催化材料之一。然而，Co3O4的电催化性能仍不能达到工业制氢的要求，需要进一步提高其催化性能来满足工业需求。构建异质结构可以结合两异质组分的优势，是提高材料电催化性能的一种可行策略，如Xie(Xu,W.；Xie,W.；Wang,Y.Co3O4‑
x
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Carbon@Fe2‑
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Co
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O
3 Heterostructural Hollow Polyhedrons for the Oxygen Evolution Reaction.ACS Applied Materials&Interfaces 2017,9(34),28642
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28649.)等构建了Co3O4‑
x
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carbon@Fe2‑
y
Co
y
O3异质结构，结合了Fe2‑
y
Co
y
O3大比表面积和Co3O4‑
x
表面缺陷的优势，显著提高了Co3O4的催化性能。此外，引入硼酸根离子已被证明可有效促进OER。如Wang等(You,C.；Ji,Y.；Liu,Z.；Xiong,X.；Sun,X.Ultrathin CoFe
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Borate Layer Coated CoFe
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Layered Double Hydroxide Nanosheets Array:A Non
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Noble
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Metal 3D Catalyst Electrode for Efficient and Durable Water Oxidation in Potassium Borate.ACS Sustainable Chemistry&Engineering 2018,6(2):1527
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1531.)制备的Ni
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Fe
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O
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B具有优异的OER性能。然而，大多异质结构的构建采用的是水热法、电沉积法等，过程较为复杂，对设备要求高。因此，开发一种简单便捷的方法，来构建Co3O4和硼酸盐的异质结构，有望提高Co3O4的电催化性能，进一步拓宽其应用范围。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于开发一种简单便捷的方法—交替浸泡法，来制备具有催化活性的异质催化剂Co3O4@Fe
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B
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O。
[0005]本专利技术解决的技术问题可通过以下技术方案实现：
[0006]一种具有催化活性的Co3O4@Fe
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B
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O异质催化剂的制备方法，采用交替浸泡法构建Co3O4@Fe
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B
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O异质核壳结构，具体的工艺步骤为：
[0007]步骤1，Co3O4的制备，包括以下步骤：
[0008]步骤1.1，将六水合硝酸钴、尿素和氟化铵加入到反应釜内衬中，再加入去离子水，
将上述混合物搅拌均匀；
[0009]步骤1.2，将一块预处理完毕的泡沫镍垂直浸没在反应釜内衬，将内衬转移至不锈钢釜壳内，进行水热反应，反应结束后，取出反应釜自然冷却至室温，并取出样品；
[0010]步骤1.3，用过量的去离子水和无水乙醇将样品冲洗干净，干燥，得到Co(OH)2；
[0011]步骤1.4，将所得到的Co(OH)2样品放入马弗炉中，以5℃/min的升温速率升至375℃，并保温4h，后以同样的速率降至室温后取出样品，即得到Co3O4；
[0012]步骤2，Co3O4@Fe
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B
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O的制备，包括以下步骤：
[0013]将Co3O4分别于硼氢化钠水溶液和九水硝酸铁水溶液中交替浸泡，重复此步骤5次，然后用过量去离子水和无水乙醇冲洗样品，干燥，即得Co3O4@Fe
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B
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O异质催化剂。
[0014]优选的，所述步骤1.1中六水合硝酸钴、尿素和氟化铵的摩尔比为1:5:2。
[0015]优选的，所述步骤1.2中水热反应温度为120℃，时间为6h。
[0016]优选的，所述步骤1.3中干燥是在60℃真空烘箱干燥5h。
[0017]优选的，所述步骤2中硼氢化钠水溶液的浓度为0.5mol/L，九水硝酸铁水溶液的浓度为0.1mol/L。
[0018]优选的，所述步骤2中交替浸泡的时间是1min。
[0019]优选的，所述步骤2中干燥是在60℃真空烘箱中过夜干燥。
[0020]本专利技术还涉及上述Co3O4@Fe
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B
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O异质催化剂在碱性、中性电解水析氧反应中的应用，将所制的Co3O4@Fe
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B
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O异质催化剂作为工作电极，分别在pH＝13.6的1MKOH电解液和pH＝7的0.1MPBS电解液中进行电化学性能测试。
[0021]本专利技术还涉及上述Co3O4@Fe
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B
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O异质催化剂在CO2还原反应中的应用，将所制的Co3O4@Fe
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O异质催化剂作为阳极，用膜电极组件测试了其用于全水解CO2还原反应的催化性能。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0023]本专利技术开发出一种简单便捷的交替浸泡法，在室温条件下能快速制备出具有催化活性的异质材料Co3O4@Fe
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B
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O，分别固定Co3O4在硼氢化钠和九水硝酸铁溶液的浸泡时间为1min，仅通过改变交替浸泡的次数，即可优化Co3O4@Fe
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有催化活性的Co3O4@Fe
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O异质催化剂的制备方法，其特征在于，采用交替浸泡法构建Co3O4@Fe
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B
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O异质核壳结构，具体的工艺步骤为：步骤1，Co3O4的制备，包括以下步骤：步骤1.1，将六水合硝酸钴、尿素和氟化铵加入到反应釜内衬中，再加入去离子水，将上述混合物搅拌均匀；步骤1.2，将一块预处理完毕的泡沫镍垂直浸没在反应釜内衬，将内衬转移至不锈钢釜壳内，进行水热反应，反应结束后，取出反应釜自然冷却至室温，并取出样品；步骤1.3，用过量的去离子水和无水乙醇将样品冲洗干净，干燥，得到Co(OH)2；步骤1.4，将所得到的Co(OH)2样品放入马弗炉中，以5℃/min的升温速率升至375℃，并保温4h，后以同样的速率降至室温后取出样品，即得到Co3O4；步骤2，Co3O4@Fe
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O的制备，包括以下步骤：将Co3O4分别于硼氢化钠水溶液和九水硝酸铁水溶液中交替浸泡，重复此步骤5次，然后用过量去离子水和无水乙醇冲洗样品，干燥，即得Co3O4@Fe
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O异质催化剂。2.根据权利要求1所述的一种具有催化活性的Co3O4@Fe
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O异质催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1.1中六水合硝酸钴、尿素和氟化铵的摩尔比为1:5:2。3.根据权利要求1所述的一种具有催化活性的Co3O4@Fe
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O异质催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1.2中水热反应温度为120℃，时间为6h。4.根据权利要求1所述的一种具有催化活性的Co3O4@Fe
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O异质催...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟达忠，刘凤玉，赵强，田露，郝根彦，李晋平，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：