一種納米管結構的Co(OH)2及其製備方法和用途與流程
2023-05-20 15:12:58 1
本發明屬於催化劑合成領域，具體涉及一種納米管結構的Co(OH)2及其製備方法和用途。
背景技術：
21世紀社會經濟的飛速發展和人口的急劇增加對能源的需求已達到了前所未有的高度，能源問題已成為當今世界所要解決的首要問題。隨著煤、石油、天然氣等資源的日益枯竭，人們將面臨嚴重的能源短缺。鑑於此，要想使人類社會得以可持續發展，開發可再生能源、環境友好型能源已勢在必行。氫氣以其生產成本低、熱值高、無汙染、可循環等優點，已被人們廣泛重視。我們知道，水電解產生氫氣和氧氣，單從熱力學的角度來講，水裂解反應的發生比較容易，在298K時，標準電極電勢為適中的1.23V，但考慮到超電勢等影響，要想使水電解順利發生，需要的標準電極電勢接近2.0V，耗電量大，成本高。從動力學的角度看，水裂解反應的發生是非常困難的，因為該反應是由兩個半反應組成，包括水氧化和氫氣還原，其中水氧化反應被普遍認為是整個水裂解反應的瓶頸，因為水氧化包含了4個質子4個電子的轉移和O-O鍵的形成過程。通過水分解獲取清潔能源是解決能源問題的重要途徑，水氧化是水裂解反應的決定步驟，在電化學分解中，找到能夠滿足Nernst電勢(E)要求的電催化劑顯得至關重要。
目前，公認的最有效最常用的水氧化電催化劑是Ru和Ir氧化物，但它們價格昂貴且可利用的稀少。要想利用水氧化電解水製備清潔能源，必須開發廉價非貴金屬催化劑。
技術實現要素：
本發明的目的旨在提供一種納米管結構的Co(OH)2及其製備方法和用途。
為實現上述目的，本發明採取的技術方案如下：
一種Co(OH)2，其特別之處在於：為納米管結構。
製備方法：將鈷源、氧化亞銅和SDS混合併溶於水與無水乙醇的等體積混合溶液中，超聲分散後，再攪拌使其混合均勻，然後加入硫代硫酸鈉溶液，繼續攪拌，直至溶液顏色變為淺綠色，過濾，洗滌，真空乾燥，即得Co(OH)2。
本發明方法為硬模板法，其中氧化亞銅為模板劑，可按現有技術合成或市購獲得；硫代硫酸鈉為協調腐蝕劑，用來腐蝕掉氧化亞銅模板。
較好地，以摩爾比計，鈷源∶氧化亞銅∶SDS=1∶4~6∶60~80；水與無水乙醇的等體積混合溶液的用量為溶解當量；硫代硫酸鈉溶液的用量為腐蝕當量。
較好地，所述鈷源為氯化鈷或硝酸鈷。
較好地，硫代硫酸鈉溶液的濃度為1~5mol/L。
所述的Co(OH)2作為催化劑的用途。
優選Co(OH)2作為水氧化的電催化劑。
本發明具有以下優點：
1. 製備方法簡單方便且對製備設備要求低，降低了實驗過程的安全隱患；鈷源為常見的鈷源，成本低；
2. 本發明Co(OH)2的納米管結構有益於促進物質傳遞及增大催化活性位；與商業RuO2催化劑相比，本發明Co(OH)2電催化水氧化的活性和穩定性明顯優於RuO2，且附著於FTO效果好，不脫落，具有很好的應用前景。
附圖說明
圖1為實施例1產物的XRD圖。
圖2為實施例1產物的SEM圖。
圖3為實施例1產物的TEM圖。
圖4為實施例1產物Co(OH)2及商用RuO2在1M KOH溶液中的線性掃描伏安圖。
圖5為實施例1產物Co(OH)2及商用RuO2在1M KOH溶液中的I-T圖。
圖6為實施例1產物Co(OH)2及商用RuO2在1M KOH溶液中的阻抗圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明的技術方案作進一步解釋說明，但本發明的保護範圍並不局限於此。
實施例1
（1）分別配置CuSO4（濃度為1mol/L）、C6H12O6（濃度為2mol/L）以及NaOH（濃度為2.5mol/L）溶液各25 mL；將CuSO4溶液加入到150 mL 三口反應燒瓶內，室溫下攪拌，並緩慢加入NaOH溶液，加完繼續攪拌10 min，得到Cu(OH)2漿料，升溫至50 ℃，並把加熱至50 ℃的C6H12O6溶液加入反應燒瓶，恆溫反應1 h，製得Cu2O漿料抽濾，先用水洗三次，再用無水乙醇洗3次，60 ℃乾燥24 h，得到Cu2O；
（2）稱取步驟（1）中得到的Cu2O 100 mg、六水氯化鈷34 mg、SDS 3.333 g於燒杯中，加入50 mL蒸餾水和50 mL無水乙醇，超聲5 min，攪拌10 min，然後加入40 mL 1.0 mol/L的Na2S2O3溶液，攪拌，待溶液漸漸由紅色變到淺綠色，離心，用水和無水乙醇將材料洗乾淨，真空60℃乾燥12 h即得目標產物。
產物的XRD測試結果如圖1所示，形貌觀察如圖2和圖3所示。圖1充分證明製備的產物確實為Co(OH)2。由圖2和圖3可知，Co(OH)2材料的結構為納米管結構。
電化學性能測試
電化學測試過程是通過工作電極、參比電極、輔助電極組成三電極系在電化學工作站(CHI760E)上進行的，測試溫度為室溫。首先，稱取實施例1製備的目標產物Co(OH)2 5 mg，加入1 mL 0.1%（體積分數）nafion溶液，超聲30 min 使其分散均勻，獲得催化劑分散液；其次，取玻碳電極(直徑3mm)用三氧化二鋁拋光，依次用稀硝酸（濃硝酸與超純水按體積比1:1混合而成）、無水乙醇和超純水清洗；然後，用移液槍移取10μL 催化劑分散液於玻碳電極上面或者300μL催化劑分散液於導電玻璃FTO上面，放在紫外燈下面烤乾作為工作電極，參比電極為Ag/AgCl電極，輔助電極為鉑絲，最後用電化學工作站測試。電解質溶液為0.1M KOH溶液，測試前通入氧氣直到溶液中氧氣飽和。以上實驗進行的同時，以商用RuO2代替Co(OH)2，作為對照。
圖4為取催化劑分散液10μL於玻碳電極上，烤乾後在0.1 M KOH電解質溶液中測得的線性掃描伏安圖，掃描速率為10 mv/s。由圖可知在電壓相同的情況下，Co(OH)2對應的電流密度較商用RuO2高，證明其電化學活性優於商用RuO2。
圖5為取該催化劑分散液300μL塗在導電玻璃FTO上，在紫外等下烤乾後，在0.1 M KOH電解質溶液中測得的I-T圖，測試電壓為0.85v，測試時間為24h。由圖可以看出Co(OH)2的縱坐標即電流密度高於RuO2，證明其穩定性明顯優於商用RuO2。
圖6為取催化劑分散液10μL於玻碳電極上，烤乾後在0.1 M KOH電解質溶液中測得的阻抗圖，測試電壓為開路電壓，高頻為106，低頻為10-2。Co(OH)2的電阻雖然高於RuO2，但是，因Co(OH)2特殊的納米管結構，利用電解質擴散，其電催化活性仍然較高。