一种纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂及其制备方法

本发明属于电解水催化剂，具体涉及一种纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂及其制备方法。

背景技术：

1、随着科技进步，人口大规模增长，能源需求剧增。传统的化石能源，如煤、石油和天然气，虽然为人类社会的进步提供了巨大的动力，但其储量有限且燃烧过程中产生的有害物质对地球环境造成了严重污染。这不仅导致了全球气候变暖、空气质量下降等环境问题，还使人类面临着日益严重的能源危机。电解水反应作为一种清洁、无污染的能源转换技术，备受关注。电解水反应的产物主要是氢气和氧气，氢气作为一种高能量密度的燃料，具有广泛的应用前景，可作为新型燃料解决能源危机，同时不产生环境污染，符合绿色、环保的发展理念，因此开发制备新型电解水催化剂被认为是可以解决能源危机的一条途径。

2、电解水反应的效率很大程度上取决于所使用的催化剂，常用的电催化剂是贵金属及其氧化物，虽然具有较高的催化活性，但由于原料成本过高，资源稀缺以及催化剂本身不稳定等原因，限制其大规模工业应用。尽管一些贵金属催化剂如ir、ru和pt等都具有优异的催化活性，但由于其丰度低、成本高和不稳定性等问题，限制了贵金属催化剂的应用。因而寻找可替代的高活性电解水催化剂成为了这一领域的一个重要课题。钴基(co)催化剂由于其含量丰富、价格低廉、电催化性能良好，是目前最有前景的催化剂之一。但是由于其电导率较差，比表面积低，性能还有待提高。

3、针对现有的钴基电催化剂存在的电导率较差和比表面积较低的技术问题，急需对其进行改性研究，以提高电催化剂的导电性，从而提升电催化剂电解水析氢和析氧的性能。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂及其制备方法，以解决现有的钴基电催化剂存在的电导率较差的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、1)将v(c2o4)2和六亚甲基四胺加入去离子水中，搅拌反应后，加入十六烷基二甲基苄基氯化铵，再搅拌混合均匀，得到混合溶液；

5、2)将处理后的泡沫钴和步骤1)得到的混合溶液置于反应釜内，进行水热反应；反应结束冷却至室温后，经洗涤，干燥，得到纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂。

6、优选地，步骤1)中，v(c2o4)2：六亚甲基四胺：去离子水：十六烷基二甲基苄基氯化铵的用量比为(0.7-1.2)g:(1.3-2.0)g：(30～50)ml：0.2g。

7、优选地，步骤1)中，搅拌反应的条件为：在室温下磁力搅拌30～50min；搅拌混合的时间为10～20min。

8、优选地，步骤2)中，水热反应的温度为80～160℃；水热反应的时间为8～16h。

9、优选地，步骤2)中，洗涤条件为：水和醇交替洗涤，各2～3次。

10、优选地，步骤2)中，干燥的条件为：在60～80℃下，真空干燥6～12h。

11、优选地，步骤2)中，处理后的泡沫钴通过以下步骤制得：

12、先将剪裁好的泡沫钴分别浸入纯丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声清洗后，再浸入到盐酸溶液中进行超声清洗，最后分别用乙醇与去离子水交替冲洗，干燥后，得到处理后的泡沫钴。

13、进一步优选地，剪裁好的泡沫钴分别浸入纯丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声清洗的时间为10～20min；浸入到盐酸溶液中超声清洗的时间为10～20min；盐酸溶液的浓度为1～3mol/l；乙醇与去离子水交替冲洗的次数为4～6次。

14、进一步优选地，干燥的条件为：60～80℃下真空干燥8～12h。

15、本发明还公开了上述制备方法制得的纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂，该纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂作为电解水电极材料，在电流密度为100ma/cm2时，her过电势为339mv。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、本发明公开了一种纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂的制备方法，通过高效、简单的一步水热法在泡沫钴基底上直接合成最终产物纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂cov(oh)x，这种珍珠棉状纳米颗粒结构具有高比表面积，有利于电解液与催化剂的充分接触，提高了催化活性。同时，泡沫钴基底疏松多孔，导电性好，进一步增强了催化剂的电化学性能，从而提升了电解水析氢和析氧性能。因此，本发明制备的催化剂在电解水反应中展现出优异的催化活性，尤其在析氢反应(her)中，表现出良好的应用前景。显著简化了制备流程，避免了多步合成过程中可能引入的杂质和缺陷。同时，由于合成温度低，制备工艺简单，反应条件易于实现，不仅降低了生产成本，还提高了产率。此外，无需复杂的后期处理，使生产过程更加绿色环保，有助于实现大规模生产。该方法不仅操作简便、反应条件易实现，周期短，而且制备出的cov(oh)x产品纯度高、形貌均匀，并展现出卓越的电催化性能。整个制备过程中使用的化学试剂均为环保型，且用量精确控制，减少了对环境的污染。无需进行复杂的后期处理，如高温煅烧或多次洗涤，使得制备过程更加绿色、可持续，非常适用于大规模生产。制备出的cov(oh)x电催化剂在电解水领域具有广阔的应用前景，有望推动清洁能源技术的发展。

18、进一步地，通过精确控制v(c2o4)2和六亚甲基四胺的质量比，以及溶液的浓度和搅拌时间，确保了反应原料的均匀混合和充分反应。十六烷基二甲基苄基氯化铵的加入，有助于形成均匀的纳米颗粒结构。

19、进一步地，水热反应温度和时间的精确控制，使得水热反应能够在最佳条件下进行，确保了产物的纯度和形貌。

20、进一步地，通过对泡沫钴进行一系列细致的清洗和干燥处理，有效去除了基底表面的杂质和氧化物，确保了泡沫钴的纯净度和导电性能。盐酸溶液的超声清洗进一步去除了可能存在的金属氧化物和杂质，为催化剂的生长提供了理想的基底。真空干燥确保了泡沫钴的干燥状态，避免了水分对后续反应的影响。

21、本发明还公开了上述制备方法制得的纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂，金属钒(v)的掺杂可以有效提高催化剂的活性面积，促进催化剂暴露更多的活性位点，并且金属之间的协同作用有利于优化催化剂的电子构型。制备出的cov(oh)x以珍珠棉状纳米颗粒的形式生长在泡沫钴基底上，这种结构不仅具有高比表面积，而且有利于电解液与催化剂的充分接触，从而提高了催化活性。纳米颗粒的均匀分布确保了催化剂的活性位点分布均匀，进一步增强了其电催化性能。泡沫钴基底的疏松多孔结构为电子传输提供了良好的通道，增强了催化剂的导电性。制备的cov(oh)x产品纯度高，形貌和尺寸均匀，且电催化性能优异。这种高纯度和均匀性确保了催化剂在电解水反应中的稳定性和可靠性，提高了催化剂的使用寿命。此外，均匀的形貌也有助于提高催化剂的活性面积，进一步增强其催化性能。

技术特征：

1.一种纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1)中，v(c2o4)2：六亚甲基四胺：去离子水：十六烷基二甲基苄基氯化铵的用量比为(0.7-1.2)g:(1.3-2.0)g：(30～50)ml：0.2g。

3.根据权利要求1所述的纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述搅拌反应的条件为：在室温下磁力搅拌30～50min；所述搅拌混合的时间为10～20min。

4.根据权利要求1所述的纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述水热反应的温度为80～160℃；水热反应的时间为8～16h。

5.根据权利要求1所述的纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述洗涤条件为：水和醇交替洗涤，各2～3次。

6.根据权利要求1所述的纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述干燥的条件为：在60～80℃下，真空干燥6～12h。

7.根据权利要求1所述的纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述处理后的泡沫钴通过以下步骤制得：

8.根据权利要求7所述的纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂的制备方法，其特征在于，剪裁好的泡沫钴分别浸入纯丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声清洗的时间为10～20min；浸入到盐酸溶液中超声清洗的时间为10～20min；盐酸溶液的浓度为1～3mol/l；乙醇与去离子水交替冲洗的次数为4～6次。

9.根据权利要求7所述的纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂的制备方法，其特征在于，所述干燥的条件为：60～80℃下真空干燥8～12h。

10.权利要求1～9任意一项所述制备方法制得的纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂，其特征在于，该纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂作为电解水电极材料，在电流密度为100ma/cm2时，her过电势为339mv。

技术总结本发明公开了一种纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂及其制备方法，属于电解水催化剂技术领域，将V(C<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;)<subgt;2</subgt;和六亚甲基四胺加入去离子水中，搅拌反应后，加入十六烷基二甲基苄基氯化铵，再搅拌混合均匀，得到混合溶液；将处理后的泡沫钴和混合溶液置于反应釜内，进行水热反应；反应结束冷却至室温后，经洗涤，干燥，得到纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂；通过一步水热法在泡沫钴基底上直接合成的纳米珍珠棉状钴钒氢氧化物复合电催化剂，具有高比表面积，电解液与催化剂充分接触，提高了催化活性，且泡沫钴基底疏松多孔，导电性好，能够增强催化剂的电化学性能，从而提升电解水析氢和析氧性能，在电解水领域具有广阔的应用前景。技术研发人员：曹丽云,黄青青,黄剑锋,李嘉胤,白树卓,张雅琳,蔡纯怡,文文受保护的技术使用者：陕西科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18