本發(fā)明屬于催化劑合成領(lǐng)域,具體涉及一種納米管結(jié)構(gòu)的Co(OH)2及其制備方法和用途。
背景技術(shù):
21世紀(jì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人口的急劇增加對(duì)能源的需求已達(dá)到了前所未有的高度,能源問題已成為當(dāng)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(yán)重的能源短缺。鑒于此,要想使人類社會(huì)得以可持續(xù)發(fā)展,開發(fā)可再生能源、環(huán)境友好型能源已勢(shì)在必行。氫氣以其生產(chǎn)成本低、熱值高、無污染、可循環(huán)等優(yōu)點(diǎn),已被人們廣泛重視。我們知道,水電解產(chǎn)生氫氣和氧氣,單從熱力學(xué)的角度來講,水裂解反應(yīng)的發(fā)生比較容易,在298K時(shí),標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為適中的1.23V,但考慮到超電勢(shì)等影響,要想使水電解順利發(fā)生,需要的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)接近2.0V,耗電量大,成本高。從動(dòng)力學(xué)的角度看,水裂解反應(yīng)的發(fā)生是非常困難的,因?yàn)樵摲磻?yīng)是由兩個(gè)半反應(yīng)組成,包括水氧化和氫氣還原,其中水氧化反應(yīng)被普遍認(rèn)為是整個(gè)水裂解反應(yīng)的瓶頸,因?yàn)樗趸?個(gè)質(zhì)子4個(gè)電子的轉(zhuǎn)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(yīng)的決定步驟,在電化學(xué)分解中,找到能夠滿足Nernst電勢(shì)(E)要求的電催化劑顯得至關(guān)重要。
目前,公認(rèn)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(jià)格昂貴且可利用的稀少。要想利用水氧化電解水制備清潔能源,必須開發(fā)廉價(jià)非貴金屬催化劑。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的旨在提供一種納米管結(jié)構(gòu)的Co(OH)2及其制備方法和用途。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下:
一種Co(OH)2,其特別之處在于:為納米管結(jié)構(gòu)。
制備方法:將鈷源、氧化亞銅和SDS混合并溶于水與無水乙醇的等體積混合溶液中,超聲分散后,再攪拌使其混合均勻,然后加入硫代硫酸鈉溶液,繼續(xù)攪拌,直至溶液顏色變?yōu)闇\綠色,過濾,洗滌,真空干燥,即得Co(OH)2。
本發(fā)明方法為硬模板法,其中氧化亞銅為模板劑,可按現(xiàn)有技術(shù)合成或市購(gòu)獲得;硫代硫酸鈉為協(xié)調(diào)腐蝕劑,用來腐蝕掉氧化亞銅模板。
較好地,以摩爾比計(jì),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(dāng)量;硫代硫酸鈉溶液的用量為腐蝕當(dāng)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(yōu)選Co(OH)2作為水氧化的電催化劑。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1. 制備方法簡(jiǎn)單方便且對(duì)制備設(shè)備要求低,降低了實(shí)驗(yàn)過程的安全隱患;鈷源為常見的鈷源,成本低;
2. 本發(fā)明Co(OH)2的納米管結(jié)構(gòu)有益于促進(jìn)物質(zhì)傳遞及增大催化活性位;與商業(yè)RuO2催化劑相比,本發(fā)明Co(OH)2電催化水氧化的活性和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于RuO2,且附著于FTO效果好,不脫落,具有很好的應(yīng)用前景。
附圖說明
圖1為實(shí)施例1產(chǎn)物的XRD圖。
圖2為實(shí)施例1產(chǎn)物的SEM圖。
圖3為實(shí)施例1產(chǎn)物的TEM圖。
圖4為實(shí)施例1產(chǎn)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(shí)施例1產(chǎn)物Co(OH)2及商用RuO2在1M KOH溶液中的I-T圖。
圖6為實(shí)施例1產(chǎn)物Co(OH)2及商用RuO2在1M KOH溶液中的阻抗圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步解釋說明,但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此。
實(shí)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(yīng)燒瓶?jī)?nèi),室溫下攪拌,并緩慢加入NaOH溶液,加完繼續(xù)攪拌10 min,得到Cu(OH)2漿料,升溫至50 ℃,并把加熱至50 ℃的C6H12O6溶液加入反應(yīng)燒瓶,恒溫反應(yīng)1 h,制得Cu2O漿料抽濾,先用水洗三次,再用無水乙醇洗3次,60 ℃干燥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于燒杯中,加入50 mL蒸餾水和50 mL無水乙醇,超聲5 min,攪拌10 min,然后加入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干凈,真空60℃干燥12 h即得目標(biāo)產(chǎn)物。
產(chǎn)物的XRD測(cè)試結(jié)果如圖1所示,形貌觀察如圖2和圖3所示。圖1充分證明制備的產(chǎn)物確實(shí)為Co(OH)2。由圖2和圖3可知,Co(OH)2材料的結(jié)構(gòu)為納米管結(jié)構(gòu)。
電化學(xué)性能測(cè)試
電化學(xué)測(cè)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(xué)工作站(CHI760E)上進(jìn)行的,測(cè)試溫度為室溫。首先,稱取實(shí)施例1制備的目標(biāo)產(chǎn)物Co(OH)2 5 mg,加入1 mL 0.1%(體積分?jǐn)?shù))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;然后,用移液槍移取10μL 催化劑分散液于玻碳電極上面或者300μL催化劑分散液于導(dǎo)電玻璃FTO上面,放在紫外燈下面烤干作為工作電極,參比電極為Ag/AgCl電極,輔助電極為鉑絲,最后用電化學(xué)工作站測(cè)試。電解質(zhì)溶液為0.1M KOH溶液,測(cè)試前通入氧氣直到溶液中氧氣飽和。以上實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí),以商用RuO2代替Co(OH)2,作為對(duì)照。
圖4為取催化劑分散液10μL于玻碳電極上,烤干后在0.1 M KOH電解質(zhì)溶液中測(cè)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(duì)應(yīng)的電流密度較商用RuO2高,證明其電化學(xué)活性優(yōu)于商用RuO2。
圖5為取該催化劑分散液300μL涂在導(dǎo)電玻璃FTO上,在紫外等下烤干后,在0.1 M KOH電解質(zhì)溶液中測(cè)得的I-T圖,測(cè)試電壓為0.85v,測(cè)試時(shí)間為24h。由圖可以看出Co(OH)2的縱坐標(biāo)即電流密度高于RuO2,證明其穩(wěn)定性明顯優(yōu)于商用RuO2。
圖6為取催化劑分散液10μL于玻碳電極上,烤干后在0.1 M KOH電解質(zhì)溶液中測(cè)得的阻抗圖,測(cè)試電壓為開路電壓,高頻為106,低頻為10-2。Co(OH)2的電阻雖然高于RuO2,但是,因Co(OH)2特殊的納米管結(jié)構(gòu),利用電解質(zhì)擴(kuò)散,其電催化活性仍然較高。