一种空心碳管复合材料及其制备方法与应用
文献发布时间:2023-06-19 10:33:45
技术领域
本发明属于材料制备技术领域,具体涉及一种空心碳管复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着日益严重的全球能源危机,氢能因其高能量密度和清洁无污染的特性而引起人们的关注。现有的制氢技术中,水电解是提供无碳,高纯度且可持续的产氢途径。近年来,为避免在水电解中使用昂贵且稀缺的贵金属催化剂(Pt、Ir和Ru等贵金属),将非贵金属催化剂用于析氧反应(OER)和析氢反应(HER)。但是,全水解的耗电量瓶颈约1.8 V,远高于1.23 V的理论值,并且对非贵金属催化剂的效率仍然很低。众所周知,影响水充分分解的原因是由缓慢的阳极OER和相当容易的阴极HER引起的。因此,为了将全水解工艺实际应用到氢生产,迫切需要精心设计具有高活性,优异的稳定性,低成本和易于合成的OER和HER双功能电催化剂。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
本发明的目的在于提供一种负载Co纳米粒子的空心碳管复合材料及其制备方法与应用。本发明通过在经高温烧制后的棉花表面负载Co纳米粒子,形成具有独特的中空结构的空心碳管复合材料Co/KF。是一种OER和HER双功能高活性电催化剂。
本发明提供一种负载Co纳米粒子的空心碳管复合材料Co/KF,所述的Co/KF为中空结构,Co纳米粒子负载在空心碳管的外壁。
本发明还提供一种负载Co纳米粒子的空心碳管复合材料Co/KF的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将棉花加入到NaClO
(2)将步骤(1)中得到的空心碳管棉花浸入到CoCl
进一步的,步骤(1)中NaClO
步骤(1)中所述的一定温度为100~150 ℃,所述回流的时间为3 ~5h。
步骤(1)中所述的干燥的温度为50~60℃,干燥的时间为大于等于8h。
步骤(2)中所述CoCl
步骤(2)中所述加热煅烧为在氢氩混合气体中以2~5 ℃ min
本发明还提供了上述负载Co纳米粒子的空心碳管复合材料Co/KF在全水解领域中的应用。进一步地,所述的应用为电催化碱性环境中的全水解。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明采用高温煅烧法制备Co纳米粒子负载空心碳管复合材料,原材料棉花无毒,廉价又丰富,含纤维素约87~90%,水5~8%。棉花经高温烧制后形成规则的空心碳管状形貌,具有独特的中空结构,具有较大的表面积,较强的传质能力。过渡金属钴(Co)比Pt便宜得多,Co对氢离子和含氧中间体均具有优异的吸附能力。所制备的空心碳管复合材料是一种OER和HER双功能高活性电催化剂,可以加速电解质在催化剂表面的渗透性,可用于电催化碱性环境全水解。在能源及环境领域有良好的应用前景。本发明工艺简单、操作方便、反应时间较短,降低能耗和生产成本,便于批量生产,无毒无害,符合环境友好要求。
附图说明
图1是Co/KF复合材料的XRD衍射谱图;
图2是制备的空心碳管材料KF和Co/KF的场发射扫描电镜图;其中,(a)、(b)是空心碳管材料KF ,(c)、(d)是Co/KF;
图3是Co/KF、KF及Pt/C的线性扫描伏安曲线LSV和Tafel图;图中,(a)是线性扫描伏安曲线对比图,(b)是塔菲尔曲线对比图;
图4是Co/KF、KF及RuO
图5是Co/KF、KF及Pt/C||RuO
具体实施方式
通过下面的实施例可以对本发明进行进一步的描述,然而,本发明的范围并不限于下述实施例。本发明对试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性和/或具体的描述。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件或按照厂商所建议的条件实施检测。
实施例1:Co纳米粒子负载空心碳管复合材料Co/KF的制备
(1)取2.0 g棉花(KF)加入到的150 ml NaClO
(2)取0.9 g 步骤(1)中制备的空心碳管材料KF浸入10 ml CoCl
对制备的产物Co/KF进行表征分析。图1是Co/KF复合材料的XRD衍射谱图;如图1所示,Co纳米颗粒成功负载在空心碳管材料KF上。图2是制备的空心碳管材料KF和Co/KF的场发射扫描电镜图;其中,(a)、(b)是空心碳管材料KF ,(c)、(d)是Co/KF;如图2所示,制备的空心碳管材料KF的碳管形态规则且为空心结构,Co/KF材料中Co纳米粒子负载与空心碳管KF外壁,使碳管壁的厚度有所降低,其依然保持空心结构。
实施例2:Co纳米粒子负载空心碳管复合材料Co/KF的制备
(1)取4.0 g棉花(KF)加入到的300 ml NaClO
(2)取0.9 g 步骤(1)中制备的空心碳管材料KF浸入12ml CoCl
实施例3:Co纳米粒子负载空心碳管复合材料Co/KF的制备
(1)取2.0 g棉花(KF)加入到的150 ml NaClO
(2)取0.9 g 步骤(1)中制备的空心碳管材料KF浸入21 ml CoCl
实施例4:Co纳米粒子负载空心碳管复合材料Co/KF的电化学特性
取5 mg 实施例1制备的Co/KF与40 μL 全氟磺酸(Nafion)、960 μL乙醇混合超声分散为电催化剂混合液,然后取60 μL电催化剂混合液涂在面积为2.5 mm * 2.5 mm的碳纸上烘干,制备为工作电极。并将铂片和Hg / HgO分别用作对电极和参比电极,在室温下1 M的KOH电解质中分别以Pt/C、RuO
图3是Co/KF、KF及Pt/C(目前作为对照的理想电催化析氢催化剂,购自中国麦克林生化科技有限公司)的线性扫描伏安曲线LSV和Tafel图;图中,(a)是线性扫描伏安曲线对比图,(b)是塔菲尔曲线对比图。由图3可见,所制备的Co纳米粒子负载空心碳管复合材料在析氢反应(HER)达到10 mA cm
图4是Co/KF、KF及RuO
图5是Co/KF、KF及Pt/C||RuO
所述实施例为本发明的优选的实施方式,但本发明并不限于上述实施方式,在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
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