一种空心碳管复合材料及其制备方法与应用

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。