【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水电解制氢，具体涉及一种co-n掺杂的碳纳米管及其制备方法和应用。
技术介绍
1、氢能因其具有能量密度高、燃烧热值大、重量轻、可存储运输、环境友好以及可再生等特点，被认为是新一轮能源革命中最具潜力的绿色能源载体。尽管全球氢元素储量丰富，但其主要存在于水和化石能源中。因此，开发经济可行的制氢技术十分必要。
2、目前，工业制氢的主要方法有高温裂解天然气法、水煤气法、电解水法等。其中高温裂解天然气法和水煤气法具有较为成熟的工业技术和较低的成本，因此在氢气总产量中占到90％以上。然而，这两种技术需要较高的反应温度，同时释放较多的温室气体，不利于碳达峰、碳中和的实现。此外，反应不完全时产生的气体co将使催化剂中毒，极大降低了催化剂的使用寿命，进而加大生产成本。相比较而言，电解水制氢技术具有较为简单的生产工艺，同时该方法所需原料为水、电解得到的氢气纯度高、无污染物质产生等优点，被认为是一种高效、环保、可持续的制氢方式，具有广阔的应用前景。
3、电解水制氢技术是将电能转化为化学能的过程，包含两个半反应：阴极还原析氢反应(hydrogen evolution reaction,her)和阳极氧化析氧反应(oxygen evolutionreaction,oer)。理论上，电催化水裂解的分解电压是1.23v，但由于反应过程需要克服较高的能垒和电解液电阻等问题，使得电解水方法的实际分解电压大于理论值。催化剂的使用可以改变电催化水裂解过程中的电子转移路径和反应能垒，进而有效地降低反应过电势，提升电解水的能量效率。
4、pt/c、ruo2和iro2等贵金属材料在电催化水裂解制氢领域展现出优异的性能，但因其价格昂贵，限制了电解水产氢的广泛应用。因此，开发高效的非贵金属电催化剂(例如过渡金属：fe、co、ni等)，有利于该领域的发展。目前，过渡金属磷化物、硫化物、氮化物和碳化物等催化剂被开发并应用于电催化产氢领域。其中，过渡金属氮化物和碳化物材料与金属铂具有相似的电子行为，同时展现出较高的导电性。然而，大多数过渡金属氮化物和碳化物材料的制备过程较为复杂，反应条件苛刻，限制了此类材料的实际应用。此外，材料结构的单一性，影响了催化剂性能的提升。同时，开发具有优异循环稳定性的过渡金属氮化物和碳化物催化剂至关重要。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了克服现有技术中存在的电解水催化剂的催化活性低、阻抗大、成本高、稳定性差等问题，本专利技术提供了一种co-n掺杂的碳纳米管及其制备方法和应用。
2、为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供了一种制备co-n掺杂的碳纳米管的方法，该方法包括：在竖式炉中分段装填三聚氰胺和zn/co-zif材料，然后从装填三聚氰胺端通入非活性气体，再升温至700-1000℃。
3、本专利技术第二方面提供了上述所述的方法制备得到的co-n掺杂的碳纳米管；
4、或者，一种co-n掺杂的碳纳米管中氮元素的含量为2-5重量％，碳元素的含量为40-55重量％，co元素含量为41-54重量％，zn元素含量为0.03-7重量％。
5、本专利技术第三方面提供了一种电解水的方法，该方法包括：在电解水的反应条件下，以上述所述co-n掺杂的碳纳米管作为工作电极。
6、本专利技术以zn/co双金属mof材料(zn/co-zif材料)为前驱体，利用金属锌高温挥发的特性，与三聚氰胺等含氮物质进行高温煅烧得到co-n掺杂的碳纳米管。
7、进一步地，通过对制备条件进行调控，使得活性位点的存在形式产生显著变化，有利于原子利用率的提升，可以有效地提高电解水催化活性，同时增强其催化稳定性。
8、本专利技术的co-n掺杂的碳纳米管具有不同存在形式的活性位点，有利于原子利用率的提升；可以有效地提高电解水催化活性，同时增强其催化稳定性。本专利技术的co-n掺杂的碳纳米管还具有良好的导电性。
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1.一种制备Co-N掺杂的碳纳米管的方法，其特征在于，该方法包括：在竖式炉中分段装填三聚氰胺和Zn/Co-ZIF材料，然后从装填三聚氰胺端通入非活性气体，再升温至700-1000℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，竖式炉的上部装填三聚氰胺，竖式炉的下部装填Zn/Co-ZIF材料，非活性气体从竖式炉的顶部通入。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，三聚氰胺和Zn/Co-ZIF材料的重量比为0.1-2：1；
4.根据权利要求1所述的方法，其中，非活性气体包括氮气和/或惰性气体；
5.根据权利要求1所述的方法，其中，相对于每克的Zn/Co-ZIF材料，非活性气体的流速为20-80mL/min。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，升温的过程包括以3-6℃/min的升温速率升温至700-1000℃，并在该温度下保持2-4h。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，Zn/Co-ZIF材料的制备方法包括：将含有锌盐、钴盐和2-甲基咪唑的溶液搅拌6-24h，再经固液分离和干燥。
8.根据权利要求1所述的方法
9.权利要求1-8中任意一项所述的方法制备得到的Co-N掺杂的碳纳米管；
10.一种电解水的方法，其特征在于，该方法包括：在析氢反应/析氧反应的条件下，以权利要求9所述Co-N掺杂的碳纳米管作为工作电极。
...【技术特征摘要】
1.一种制备co-n掺杂的碳纳米管的方法，其特征在于，该方法包括：在竖式炉中分段装填三聚氰胺和zn/co-zif材料，然后从装填三聚氰胺端通入非活性气体，再升温至700-1000℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，竖式炉的上部装填三聚氰胺，竖式炉的下部装填zn/co-zif材料，非活性气体从竖式炉的顶部通入。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，三聚氰胺和zn/co-zif材料的重量比为0.1-2：1；
4.根据权利要求1所述的方法，其中，非活性气体包括氮气和/或惰性气体；
5.根据权利要求1所述的方法，其中，相对于每克的zn/co-zif材料，非活性气体的流速为20-80ml/min。<...
【专利技术属性】
技术研发人员：周越，冯英杰，刘东兵，付晓玥，冯静，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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