一种用于电解水催化剂的改性钴酸锂及其制备方法

本发明涉及电解水催化，尤其是涉及一种用于电解水催化剂的改性钴酸锂及其制备方法。

背景技术：

1、四氧化三钴(co3o4)因其卓越的催化活性、良好的稳定性及较低的成本，被认为是oer催化剂的潜力材料。然而，尽管纯co3o4展现出一定的催化活性，其实际应用效率仍受限于反应动力学的缓慢和活性位点的限制。因此，通过材料工程技术优化co3o4的电催化性能，特别是通过元素掺杂策略提升其活性和稳定性，成为了电催化领域的重点研究方向。

2、近年来的研究发现，通过在co3o4中引入异质原子如镍(ni)、铁(fe)、铜(cu)等，可以显著提高其oer性能。其中，镍因其与钴相近的电子结构和能够提供额外活性位点的特性而受到研究者的特别关注。镍掺杂不仅调节了co3o4的电子结构，优化了其表面电荷分布，还提高了材料的导电性，进而降低催化反应的过电位，提高反应速率。

3、但是，有效地将镍离子掺杂到co3o4的晶格中并保持催化材料的高活性和结构稳定性是一项技术挑战。掺杂过程需要精确控制，以确保镍离子均匀分布并有效整合入co3o4的晶格结构中。此外，掺杂后的材料应保持高度的结构稳定性和催化活性，这要求在材料制备过程中采用适当的方法来保持或优化其微观结构和表面性质。

4、尽管传统的合成方法如固相反应法、溶胶-凝胶法在制备co3o4基催化剂方面取得了进展，但在掺杂均匀性、粒径控制及热处理过程中的相稳定性等方面仍存在挑战。这些挑战阻碍了催化剂性能的最大化，限制了其在电解水领域的应用。

5、因此，开发一种高效、可靠的制备方法以实现镍离子在co3o4中的均匀掺杂并保持掺杂后材料的高活性及稳定性，对于促进电解水技术的发展具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于电解水催化剂的改性钴酸锂材料及其制备方法和应用，通过设计电化学脱锂步骤和镍离子嵌入过程，实现了高度均匀的镍掺杂，提高了材料的电子结构，降低了催化反应的能量障碍，而且显著提升了氧气进化反应(oer)的活性。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种用于电解水催化剂的改性钴酸锂的制备方法，包括以下步骤；

4、s1：将lco粉末研磨并在溶剂中分散，将分散后的lco粉末进行干燥和筛分，获得预处理后的lco粉末；

5、s2：将s1中获得的lco粉末制备成电极片并组装成电池，采用电化学工作站对电池进行电化学脱锂；

6、s3：完成电化学脱锂后，拆解s2中的电池，将lco电极片浸入硝酸镍溶液中浸泡，再取出清洗和干燥；

7、s4：将s3中干燥后的lco电极片上的lco粉末与集电器分离，再高温烧结，待烧结完成后快速冷却，得到改性钴酸锂。

8、进一步地，s1中，所述分散采用超声分散，分散时间为5-30分钟，分散温度为1℃-30℃；优选地，所述分散时间为30分钟，分散温度为20℃；

9、所述溶剂为水或乙醇。

10、进一步地，s1中，所述干燥温度为60℃-90℃，干燥时间为1-24h；优选地，所述干燥温度为80℃，干燥时间为12h。

11、进一步地，s2中，所述电池的制备过程包括以下步骤：

12、s2-1：将lco粉末、导电剂、粘结剂按质量比为8:1:1混合，获得浆料，再将所述浆料涂覆于铜箔集电器上烘干；

13、s2-2：对s2-1中烘干的极片进行裁剪，并与金属锂片、隔膜、电解液一同组装为电池。

14、进一步地，s2-1中，所述烘干温度为80℃-120℃，烘干时间为11-13小时；优选地，烘干时间为12小时；

15、s2-2中，所述电解液包括锂盐和有机溶剂，所述锂盐为lipf6，所述有机溶剂包括碳酸乙烯酯(ec)和碳酸二甲酯(dmc)。

16、进一步地，s2中，所述电化学脱锂条件具体为：首先在0.1c的电流密度下放电至3.0v，再以更小的电流密度放电至2.0v，以确保lco中的边缘局部范围的锂离子被充分去除。

17、进一步地，s3中，所述硝酸镍溶液的浓度为0.01m-1m，浸泡时间为12-48小时；优选地，所述硝酸镍溶液的浓度为0.5m，浸泡时间为24小时。

18、进一步地，s4中，所述烧结温度为800℃-1100℃，烧结时间为1-10秒；优选地，所述烧结温度为1000℃，烧结时间为2秒；

19、进一步地，s4中，所述快速冷却具体为：采用惰性气体强制风冷或通入液氮，以500℃/s的冷却速度进行冷却。

20、本发明还提供一种用于电解水催化剂的改性钴酸锂。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有点和有益效果：

22、1、本发明通过设计电化学脱锂步骤和镍离子嵌入过程，实现了高度均匀的镍掺杂。镍掺杂不仅提高了材料的电子结构，降低了催化反应的能量障碍，而且显著提升了氧气进化反应(oer)的活性。通过采用快速高温烧结和快速冷却过程，有效保持了掺杂结构，加速了相转变，形成具有高结晶度和优化纳米结构的镍掺杂的co3o4材料，进一步暴露了大量有效催化位点。制备的改性钴酸锂展现了更低的过电位和更高的电流密度，这直接证明了其在电解水催化过程中的卓越性能。

23、2、本发明的制备方法具有操作简便、易于规模化生产的特点，为实际应用提供了可能。高度优化的催化剂结构确保了卓越的稳定性和持久的催化活性，满足长期连续运行的需求。其独特的制备方法和所得催化剂的优异性能，为绿色能源技术，尤其是高效水分解技术的发展开辟了新的道路，展现了良好的工业应用前景和广泛的研究价值。

技术特征：

1.一种用于电解水催化剂的改性钴酸锂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；

2.根据权利要求1所述的一种用于电解水催化剂的改性钴酸锂的制备方法，其特征在于，s1中，所述分散采用超声分散，分散时间为5-30分钟，分散温度为1℃-30℃；

3.根据权利要求1所述的一种用于电解水催化剂的改性钴酸锂的制备方法，其特征在于，s1中，所述干燥温度为60℃-90℃，干燥时间为1-24h。

4.根据权利要求1所述的一种用于电解水催化剂的改性钴酸锂的制备方法，其特征在于，s2中，所述电池的制备过程包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种用于电解水催化剂的改性钴酸锂的制备方法，其特征在于，s2-1中，所述烘干温度为80℃-120℃，烘干时间为11-13小时；

6.根据权利要求1所述的一种用于电解水催化剂的改性钴酸锂的制备方法，其特征在于，s2中，所述电化学脱锂条件具体为：首先在0.1c的电流密度下放电至3.0v，再以更小的电流密度放电至2.0v。

7.根据权利要求1所述的一种用于电解水催化剂的改性钴酸锂的制备方法，其特征在于，s3中，所述硝酸镍溶液的浓度为0.01m-1m，浸泡时间为12-48小时。

8.根据权利要求1所述的一种用于电解水催化剂的改性钴酸锂的制备方法，其特征在于，s4中，所述烧结温度为800℃-1100℃，烧结时间为1-10秒。

9.根据权利要求1所述的一种用于电解水催化剂的改性钴酸锂的制备方法，其特征在于，s4中，所述快速冷却具体为：采用惰性气体强制风冷或通入液氮，以500℃/s的冷却速度进行冷却。

10.一种如权利要求1-9任一所述的制备方法得到的用于电解水催化剂的改性钴酸锂。

技术总结本发明涉及一种用于电解水催化剂的改性钴酸锂及其制备方法。其制备方法为：将LCO粉末研磨并在溶剂中分散，将分散后的LCO粉末进行干燥和筛分，获得预处理后的LCO粉末，并制备成电极片并组装成电池。采用电化学工作站对电池进行电化学脱锂过程；完成电化学脱锂后，拆解电池，并将LCO电极片浸入硝酸镍溶液中浸泡、清洗和干燥，LCO粉末与集电器分离后再高温烧结，待烧结完成后快速冷却，得到改性钴酸锂。与现有技术相比，本发明通过电化学脱锂和嵌入镍离子，有效降低了催化反应的能量障碍，提升了氧气进化反应的活性。制备方法操作简便、易于规模化生产，为高效水分解技术的发展开辟了新的道路，展现了良好的工业应用前景和广泛的研究价值。技术研发人员：金黎明,杨路宇,秦楠,张存满,耿振受保护的技术使用者：同济大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18