一种新型的金属-碳-氮复合材料在电解水析氧反应(OER)中的应用

本发明涉及新型材料技术和电催化领域，尤其涉及一种新型的金属-碳-氮复合材料在电解水析氧反应(oer)中的应用。

背景技术：

1、随着当今社会不断发展与进步，世界各国的能源需求不断增加，能源与环境问题已经成为影响国家发展的重要因素。氢气作为地球上最理想的清洁能源载体具有着无污染的优点，并且使用方便，被认为是二十一世纪最具发展潜力的清洁能源。电解水制备氢气是一种安全且可持续的技术，可以经济高效的制备氢气能源。与阴极的电催化水分解析氢(her)反应相比，阳极涉及的缓慢的电解水析氧反应(oer)严重阻碍了电解水装置的大规模应用。

2、因此，研究高性能、高稳定性的oer电催化剂有利于促进电解水制氢工艺的发展。目前，基于ir和ru的材料是众所周知的作为酸性环境中oer的最有效的电催化剂。但是ir和ru作为贵金属，其高昂的价格限制了oer催化剂的大规模生产。g-c3n4具有化学稳定性高、制备成本低、结构和组成特异性强等特点，是一种极具吸引力的催化材料。迄今为止，它已被应用于许多领域,如光化学分解水、燃料电池和各种有机反应的非金属多相催化。g-c3n4包含所谓的“氮锅”六氮孤对电子，使材料修改分子的电子结构和理想网格金属然而，电导率和催化活性相对较低限制的氧还原反应.这些问题可以通过g-c3n4与其他导电性更好的材料一起堆肥来解决。例如，co-g-c3n4,fe-g-c3n4,和ni-co3o4-c3n4等非贵金属结合作为oer的有效催化剂已被研究。

3、本发明采用简单的固相反应法和一步水热法合成co-fe-c3n4复合材料作为高效低成本的oer催化剂。

技术实现思路

1、为了克服上述常见的贵金属oer催化剂高昂的成本问题，本发明提供一种新型的金属-碳-氮复合催化剂材料，以g-c3n4作为前驱体，通过固相反应法在g-c3n4的层片结构上嵌入fe源，以一步水热法在fe-c3n4表面生长coo颗粒。该材料表面含有大量的缺陷并为oer反应提供大量的活性位点。

2、一种新型金属-碳-氮复合催化剂材料制备方法，包括以下步骤：

3、(1)将4g三聚氰胺在60℃下溶解在60ml甲醇中，搅拌10min。

4、(2)滴加入100ml硝酸(0.2m)，分离出白色沉淀。冷却至室温后，收集白色沉淀物，用甲醇洗涤三次，在60℃下干燥12h。

5、(3)在搅拌下加入0.4g的fe(no3)3·9h2o和得到的白色沉淀加入30ml甲醇中。

6、(4)将得到的悬浮液加热到50℃以蒸发甲醇。固体在60℃下干燥12h，研磨，在5℃·min-1的高纯氩气下在550℃下煅烧2小时,将得到的样品记为fe-cn。

7、(5)将10mg-90mg的乙酸钴和100mgfe-cn加入到60mg去离子水中，在80℃的条件加水浴搅拌10h。

8、(6)将搅拌后的溶液置于100ml的高压反应釜中，反应温度为150℃，反应时间为3h。

9、(7)将水热反应后的产物分别用无水乙醇和去离子水清洗四次。

10、(8)将洗涤后的产物真空干燥后得到目标产物。

11、本发明还提供了上述高性能卟啉基无金属碳氮电催化纳米材料在电解水析氧反应中的应用：

12、用上海晨华公司chi660e型号的电化学工作站，在三电极测试体系下对co-fe-cn催化剂的电解水析氧能力进行测试，使用的电解液为1.0mol/l的氢氧化钾溶液，工作电极为5mm直径的玻炭电极，对电极为1*1cm的铂片，参比电极为ag/agcl电极。

13、塔菲尔斜率：η＝a+b logjk

14、过电位：η＝e vs rhe-1.23

15、标准氢电极:evs rhe＝evs sce+0.224v+0.059×13.7

16、使用移液枪取5μl浆料滴在工作电极表面，等浆料自然干燥后再滴下一滴，共滴4次，在工作电极表面负载20μl制备得到的浆料。在测试前通20minn2。测试过程中全程n2持续通入。使用循环伏安扫描(cv)、线性伏安扫描(lsv)等一系列电化学性能测试，分析材料的电解水析氧性能。

技术特征：

1.一种新型的金属-碳-氮复合材料，其特点是在高倍率的电子显微镜下，整体呈现层片状的结构，在其层片状结构表面含有大量的coo颗粒，该催化剂的x射线衍射(xrd)图谱显示c的(100)晶面和(002)晶面。

2.权利要求1中所属的金属-碳-氮复合材料的制备方法，包括以下步骤。

3.权利要求1中所述的新型金属-碳-氮复合材料具有优异的电催化水分解氧析出(oer)性能；在传统的三电极测试体系中，电解液为1m的氢氧化钾溶液，当电流密度达到10macm-2时，析氧过电位为360-400mv，塔菲尔斜率为40-100mv/dec，说明该金属-碳-氮复合材料具有优异的oer性能。

技术总结本发明涉及新型材料技术和电催化领域，尤其涉及一种新型的金属‑碳‑氮复合材料在电解水析氧反应(OER)中的应用。本发明使用固相反应法，得到Fe掺杂的层片状碳氮复合材料，通过一步水热法在该层片材料上生长CoO颗粒，最终得到的金属‑碳‑氮复合材料，该种催化剂材料在高倍率的电子显微镜下呈现层片状结构，由于过渡金属元素的引入，使得催化剂材料表面含有丰富的缺陷以及活性位点，使得材料表现出优异的OER性能。在10mA/cm<supgt;2</supgt;的电流密度下，该金属‑碳‑氮复合材料的析氧过电位为361mV，塔菲尔斜率为42.93mVdec<supgt;‑1</supgt;，与商业的RuO贵金属催化剂相比，具有更优异的OER性能。技术研发人员：张文雪,李忠,何成受保护的技术使用者：长安大学技术研发日：技术公布日：2024/5/8