一种一体式金属-磷共掺杂Co9S8催化剂及其制备方法和应用
文献发布时间：2024-04-18 20:00:25
技术领域
本发明属于电解水节能制氢技术领域，具体涉及一种一体式金属-磷共掺杂Co
背景技术
氢能作为一种环境友好、能量密度高、产物清洁无污染的能源载体，被认为是有望实现脱化石能源和推动低碳经济发展的战略性能源。其中，可持续能源驱动的电解水制氢技术是最具前景的低碳高纯制氢技术方向之一。
电解水由阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)两个半反应构成，但OER反应中涉及多步质子耦合电子转移过程，导致其反应动力学缓慢，反应能垒较高，电解水制氢的效率受到严重影响。
与OER反应相比，肼氧化反应(HzOR,N
发明内容
本发明的目的在于提供一种一体式金属-磷共掺杂Co
本发明的目的还在于提供采用一种一体式金属-磷共掺杂Co
本发明的上述第一个目的可以通过以下技术方案来实现：一种一体式金属-磷共掺杂Co
(1)将泡沫钴(Cobalt Foam，CF)作为导电基底和钴源，并进行预处理；
(2)将金属源和硫源溶解在去离子水中，搅拌均匀得到混合溶液；
(3)将步骤(1)中预处理后的泡沫钴浸入步骤(2)的混合溶液中并转移到高压反应釜中，高压反应釜密封后进行水热反应，反应结束后待反应釜自然冷却，取出反应物，洗涤和真空干燥后，得到在泡沫钴上原位生长的金属掺杂的Co
(4)将步骤(3)中的M-Co
本发明通过一步水热法在泡沫钴基底上制备金属离子掺杂的Co
在上述基于金属-磷共掺杂Co
作为本发明一种优选的实施方式，步骤S1中所述预处理包括：将泡沫钴(CobaltFoam，CF)作为导电基底和钴源，放在丙酮溶液中超声清洗10min，去除表面有机物；随后在3M(mol/L)稀盐酸中超声10min以去除表面氧化物，最后分别使用去离子水和无水乙醇冲洗表面残留物，放入真空干燥箱，60℃烘干6h。
可选地，步骤(2)中所述金属源为六水合氯化铁、氯化铜、六水合氯化镍、二水合钼酸钠和氯化铈中的一种或两种以上的混合物。
可选地，步骤(2)中所述硫源为硫化钠、硫脲和硫代乙酰胺中的一种或两种以上的混合物。
可选地，步骤(2)中所述金属源、硫源和去离子水的用量关系为0.005g～0.05g：0.05g～0.08g：20mL。
可选地，步骤(3)中将步骤(1)中预处理后的泡沫钴浸入步骤(2)的混合溶液中并转移到30mL高压反应釜中。
可选地，步骤(3)中水热反应时的温度为180～220℃，时间为12～48h。更佳地，水热反应时间为12～24h。
可选地，步骤(3)中洗涤用去离子水和乙醇洗涤。
可选地，步骤(4)中退火时的温度为250℃～400℃，退火时间为0.5h～2h，升温速率为3～5℃/min。
更佳地，步骤(4)中退火时，退火温度为250℃～350℃，退火时间为1h～2h，升温速率为5℃/min。
可选地，步骤(4)中所述磷源为次亚磷酸钠，其与所述M-Co
更佳地，步骤(4)中所述磷源为次亚磷酸钠，其与所述M-Co
本发明还提供了一种一体式金属-磷共掺杂Co
本发明的上述第二个目的可以通过以下技术方案来实现：上述一体式金属-磷共掺杂Co
更佳地，上述一体式金属-磷共掺杂Co
本发明还提供了上述一体式金属-磷共掺杂Co
本发明还进一步提供了上述一体式金属-磷共掺杂Co
与现有技术相比，本发明的具有以下优点：
(1)与传统的粉末催化剂相比，本发明中的泡沫钴具有三维自支撑结构，有利于电解质传输、气体扩散，导电性良好，可以降低电荷转移阻力，有利于电子传输，因此，通过一步水热方法在泡沫钴基板上直接生长一体式催化剂，可进一步提升材料催化性能；
(2)本发明采用金属与磷共掺杂的策略，调节Co
(3)本发明所制备的一体式M,P-Co
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
图1示出了实施例1、对比例1、对比例2与对比例3的XRD图；
图2示出了实施例1的SEM图；
图3示出了对比例1的SEM图；
图4示出了实施例1、对比例1、对比例2与对比例3的析氢极化曲线图；
图5示出了实施例1在工业条件大电流密度下的析氢极化曲线图；
图6示出了实施例1的析氢长期稳定性图；
图7示出了实施例1、对比例1、对比例2与对比例3的肼氧化极化曲线图；
图8示出了实施例1的水分解与肼分解的性能图，其中OHzS代表肼分解过电位，OWS代表水分解过电位。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下述实施例中所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下述实施方法中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规实验方法。
下述实施方法和实施例中所使用的术语，除非特殊说明，一般具有本领域的普通技术人员通常理解的含义。
第一部分基于金属-磷共掺杂Co
实施例1
1、泡沫钴预处理：
将一片市售泡沫钴(1x3 cm
2、Fe-Co
将0.05g六水合氯化铁和0.06g硫脲溶解在20mL去离子水中，搅拌均匀得到混合溶液；
将经预处理后的泡沫钴与上述混合溶液一起转移到30mL高压反应釜中，随后在鼓风干燥箱中进行水热反应，于180℃下反应18h；
反应结束，待反应釜降到室温后，将反应物取出，依次使用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥后，即可得到在泡沫钴上原位生长的铁掺杂Co
3、Fe,P-Co
将上述制备得到的Fe-Co
实施例2
1、泡沫钴预处理：
将一片市售泡沫钴(1x3 cm
2、Co
将0.005g六水合氯化镍和0.06g硫脲溶解在20mL去离子水中，搅拌均匀得到混合溶液；
将经预处理后的泡沫钴浸泡在上述混合溶液一起转移到30mL高压反应釜中，随后在鼓风干燥箱中进行水热反应，于180℃下反应18h；
反应结束，待反应釜降到室温后，将反应物取出，依次使用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥后，即可得到在泡沫钴上原位生长的镍掺杂的Co
3、Ni,P-Co
将上述制备得到的Ni-Co
实施例3
1、泡沫钴预处理：
将一片市售泡沫钴(1x3 cm
2、Co
将0.05g六水合氯化铁和0.06g硫脲溶解在20mL去离子水中，搅拌均匀得到混合溶液；
将经预处理后的泡沫钴与上述混合溶液一起转移到30mL高压反应釜中，随后在鼓风干燥箱中进行水热反应，于220℃下反应18h。
反应结束，待反应釜降到室温后，将反应物取出，依次使用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥后，即可得到在泡沫钴上原位生长的铁掺杂的Co
3、Fe,P-Co
将上述制备得到的Fe-Co
对比例1
与实施例1相比，区别在于：CF仅在硫脲条件下进行水热反应，且不做退火处理，所得电极为Co
对比例2
与实施例1相比，区别在于：CF仅在硫源条件下进行水热反应，反应结束得到Co
对比例3
与实施例1相比，区别在于：Co
第二部分基于金属-磷共掺杂Co
1)以下将实施例1中Fe,P-Co
实施例1中的Fe,P-Co
2)以下将实施例1中Fe,P-Co
实施例1中的Fe,P-Co
3)以下对实施例1以及对比例1-3的电催化性能进行以下测试：
电化学性能测试采用的是CHI 760E电化学工作站标准的三电极体系，测试电催化性能具体如下：
极化曲线(LSV)是在1M KOH溶液中，以Hg/HgO为参比电极，碳棒为对电极进行测试，工作电极为实施例或对比实施例所制得的样品，测试的扫速为5mV/s。
实施例1中的Fe,P-Co
实施例1中的Fe,P-Co
实施例1中的Fe,P-Co
实施例1中的Fe,P-Co
实施例1中的Fe,P-Co
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。