CN109797405B - 一种硫化钴与氮掺杂碳复合阵列电极的制备方法 - Google Patents

一种硫化钴与氮掺杂碳复合阵列电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双功能的一种硫化钴与氮掺杂碳复合阵列电极的制备方法，利用化学浴沉积方法制备碱式钴盐针状阵列原位电极，在空气中退火后形成Co3O4阵列，Co3O4进而在硫气氛下退火形成CoS2阵列。随后用多巴胺在上述Co3O4或CoS2阵列表面生长聚多巴胺后于保护气氛下进行退火反应，在这一反应过程中聚多巴胺转变为氮掺杂的碳材料，Co3O4或CoS2在硫气氛或惰性气体气氛下转变为Co9S8‑Co4S3。本发明的技术方案得到的产品，由于具有多种高电催化活位点，包括碳材料中氮掺杂活性位点以及由此引起的其它晶格缺陷，具有优异的电催化氧还原反应（ORR）性能；Co9S8‑Co4S3具有较好的电催化氧析出反应（OER）性能；此外Co9S8‑Co4S3与碳材料与强界面耦合效应形成的界面亦具有优异的电催化OER和OER性能。

Description

一种硫化钴与氮掺杂碳复合阵列电极的制备方法
技术领域
本发明涉及原位电极及其制备，属于能量存储和转换材料与器件领域。
背景技术
全球能源需求的增长和传统不可再生燃料的危机正在鼓励对高效低成本的替代能源如燃料电池，空气电池和金属氧电池的研究。氧电化学（ORR / OER）是一种在不排放温室气体的情况下生产清洁能源的杰出技术。然而，由于需要高于标准反应电位（1.23V）的大过电位，水电解析氧的效率受到限制。为了最大限度地减少两个电极的过电位，并利用风能和太阳能发电来分解水是一项具有挑战性的任务。氧电化学的效率很大程度上取决于电催化剂的组成和性质。到目前为止，已发现Pt，Ru，Ir和其他贵金属材料是有效的双功能催化剂，应用于氧电化学ORR / OER）领域。然而，由于它们成本高昂且资源缺乏，导致它们作为商业电催化剂的综合用途受到限制。近年来，基于钴的一些化合物引起人们广泛关注，钴的硫化物或氧化物具有优异的OER性能，但是其ORR性能不突出，所以将其与碳材料形成复合物，这样可以显著提高其ORR性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种硫化钴与氮掺杂碳复合阵列电极的制备方法，该方法具有设备要求低、所需原料成本低廉、反应条件易于控制、生产工艺简单、所形成的产品一致性好，环境污染小等优点，可用于OER和ORR的双功能电催化剂，对于原位电极的批量生产有重大意义。
为此，本发明提供了一种化学浴-退火制备氧化钴或硫化钴阵列电极，在聚合沉积聚多巴胺后于硫气氛或惰性气体气氛下退火制备出强界面耦合的硫化钴与氮掺杂碳复合阵列电极，包括如下步骤：
第一步、在室温下，将氯化钴和尿素溶于去离子水，其中氯化钴浓度为50~200 mM；尿素质量分数为3~10 %，在此水溶液中用化学浴沉积的方法在导电基底上生长针状碱式钴盐阵列，其中化学浴温度为70~100℃，时间为1~ 6 h，洗涤干燥后于空气中退火制得原位针状氧化钴阵列，氧化钴进而在硫气氛中退火制得二硫化钴阵列，其中空气中退火及硫气氛中退火的退火温度为300~500℃，反应时间为0.5~2 h；硫气氛所用硫粉的质量为氧化钴质量的5~20倍。该步骤是将尿素在加热条件下产生的氨气和氰酸进一步与氯化钴反应形成阵列状碱式钴盐，碱式钴盐在空气中高温氧化形成氧化钴，氧化钴进而在硫气氛下形成二硫化钴阵列。
用化学浴沉积法在导电基底上生长阵列钴盐简单快速，且阵列均匀牢固。以碳纸为例，碳纸内的每个碳纤维、石墨片上都均匀的生长了碱式钴盐阵列，经过空气中退火烧结，碱式钴盐逐步失水脱氧反应生成氧化钴，氧化钴进一步硫化生成二硫化钴。选择300~500℃的目的使这一过程较快速发生，使得每个针状碱式钴盐转变为多晶氧化钴颗粒和硫化钴颗粒，在保持阵列的同时，颗粒之间有孔隙，利于后续前躯液的均匀负载，利于形成更多的氧化钴与碳的异质界面。
第二步、将聚多巴胺沉积到上述生长有氧化钴或二硫化钴阵列的基底上后于惰性气体或硫气氛中进行退火反应，退火温度为600~900℃退火时间为0.5~4 h。
所述的化学浴一步溶液中氯化钴浓度为50~200 mM，尿素质量分数为3~10 %。化学浴沉积时间为1 ~ 6 h，水浴温度为70 ~100℃。
所述的空气中或硫气氛中退火的温度为300~500℃，反应时间为0.5~2 h，硫气氛所用硫粉的质量为氧化钴质量的5~20倍。
所述多巴胺聚合条件为在弱碱性Tris缓冲液中室温下慢搅，聚合时间为10~30 h，多巴胺浓度为0.1~10 mg/mL。
所述的惰性气体为Ar气或N2气，硫气氛为硫脲或升华硫，所用量为多巴胺质量的5~50倍。其中退火反应温度500~900℃，退火反应时间为0.5~4 h。
本发明所述的聚多巴胺在惰性气体或硫气氛下形成氮掺杂的碳材料，氧化钴或二硫化钴在该气氛下转变为硫化钴。①聚多巴胺原本已具有较高的聚合度，碳化后形成的碳石墨化程度高导电能力强有利于促进催化反应的发生；②聚多巴胺中含有的N元素亦能在碳材料形成过程中掺入碳骨架或表面形成石墨化氮或吡咯氮、吡啶氮都具有良好的OER和ORR催化性能；③高温下硫粉或硫脲蒸发并掺入碳骨架形成氮掺杂的碳材料，同时生成硫化钴。④聚多巴胺在转变为碳材料的过程中所释放的含氮小分子利于形成Co-Nx-C键。
本发明旨在制备出一种廉价、高效的双功能电催化剂—一种氮掺杂硫化钴阵列与碳原位复合物，其中硫化钴起着催化OER和ORR反应的功能，氮掺杂的碳起着催化ORR反应的功能，同时能提高复合材料整体导电性、加快电子输运进而提高催化反应速度。此外，与碳材料复合后，硫化钴由于与碳材料强的界面耦合效应亦能提高复合材料界面处的内在催能力。
附图说明
图1 实施例1所制备样品的OER-ORR线性伏安扫描（LSV）。
图2 实施例2所制备样品的OER-ORR线性伏安扫描（LSV）。
图3 实施例3所制备样品的OER-ORR线性伏安扫描（LSV）。
图4 实施例4所制备样品的OER-ORR线性伏安扫描（LSV）。
图5 实施例5所制备样品的OER-ORR线性伏安扫描（LSV）。
图6 实施例6所制备样品的OER-ORR线性伏安扫描（LSV）。
图7 实施例7所制备样品的OER-ORR线性伏安扫描（LSV）。
图8 实施例8所制备样品的OER-ORR线性伏安扫描（LSV）。
图9 实施例2、7、8所制备样品的XRD图。
图10 实施例2所制备样品的SEM图。
图11 实施例8所制备样品的SEM图。
具体实施方式
发明实施例中OER、ORR性能LSV测试方法为：以硫化钴与氮掺杂碳复合阵列电极为工作电极、以碳棒为对电极、以饱和Hg/HgO电极为参比电极，所用电解质为: 1 M KOH水溶液，扫描速度为10 mV/s。OER和ORR测试中通入氧气，使氧气在KOH水溶液中自然饱和，在测试过程中伴有200 r.p.m 的搅拌。
实施例1：
室温下，将0.15 M CoCl2 ∙ 6H2O，质量分数为6.25 %的尿素溶解在40 mL去离子水中。取碳纸浸泡在该溶液后于90℃水浴中反应2 h，自然冷却至室温取出碳纸用去离子水冲洗三次，干燥备用。将上述碳纸在空气中400℃煅烧30 min后得到CFP/Co3O4，随后再将CFP/Co3O4在硫粉(0.5 g)气流下500℃反应60 min，得到CFP/CoS2。将CFP/CoS2浸泡在50 mL，浓度为0.01 M ，pH为8.5的Tris碱中，加入25 mg多巴胺，室温下搅拌24 h，用去离子水将样品冲洗三次后干燥得到CFP/CoS2@PDA。将CFP/CoS2@PDA放入管式炉，在Ar气流下350℃反应2 h后继续升温至700℃反应2 h，自然冷却至室温后取出得到CFP/Co9S8-Co4S3@C原位电极。
图1为实施例1所制备的电极OER、ORR线性伏安扫描（LSV）图。由图可知当电极通过的电流密度为10 mA/cm2时，碱性水溶液中OER反应产氧对应的电位为E10 = 1.598 V，碱性水溶液中ORR反应对应的半波电位为E1/2 = 0.698 V，电流密度能达到~6.0 mA/cm2，ΔE =E10 - E1/2 = 0.90 V。
实施例2：
室温下，将0.15 M CoCl2 ∙ 6H2O，质量分数为6.25 %的尿素溶解在40 mL去离子水中。取碳纸浸泡在该溶液后在90℃水浴中反应2 h，自然冷却至室温取出碳纸用去离子水冲洗三次，干燥备用。将上述碳纸在空气中400℃煅烧30 min后得到CFP/Co3O4，随后再将CFP/Co3O4在硫粉(0.5g)气流下500℃反应60 min得到CFP/CoS2。将CFP/CoS2浸泡在50 mL，浓度为0.01 M ，pH为8.5的Tris碱中，加入40 mg多巴胺，室温下搅拌24 h，用去离子水将样品冲洗三次后干燥得到CFP/CoS2@PDA。将CFP/CoS2@PDA放入管式炉，在Ar气流下350℃反应2 h后继续升温至700℃反应2 h，自然冷却至室温后取出得到CFP/Co9S8-Co4S3@C原位电极。
图2为实施例2所制备的电极OER、ORR线性伏安扫描（LSV）图。由图可知当电极通过的电流密度为10 mA/cm2时，碱性水溶液中OER反应产氧对应的电位为E10 = 1.548 V，碱性水溶液中ORR反应对应的半波电位为E1/2 = 0.713 V，电流密度能达到~6.0 mA/cm2，ΔE =E10 - E1/2 = 0.84 V。
图10为实施例2所制备氮掺杂硫化钴阵列与碳原位复合电极的SEM图。由图可知有该实施例所制备的电极，碳均匀包覆在由硫化钴颗粒组成了针状阵列表面。
实施例3：
室温下，将0.15 M CoCl2 ∙ 6H2O，质量分数为6.25 %的尿素溶解在40 mL去离子水中。取碳纸浸泡在该溶液后在90℃水浴中反应2 h，自然冷却至室温取出碳纸用去离子水冲洗三次，干燥备用。将上述碳纸在空气中400℃煅烧30 min后得到CFP/Co3O4，随后再将CFP/Co3O4在硫粉(0.5 g)气流下500℃反应60 min,得到CFP/CoS2。将CFP/CoS2浸泡在50 mL，浓度为0.01 M ，pH为8.5的Tris碱中，加入60 mg多巴胺，室温下搅拌24 h，用去离子水将样品冲洗三次后干燥得到CFP/CoS2@PDA。将CFP/CoS2@PDA放入管式炉，在Ar气流下350℃反应2 h后继续升温至700 ℃反应2 h，自然冷却至室温后取出得到CFP/Co9S8-Co4S3@C 原位电极。
图3为实施例3所制备的电极OER、ORR线性伏安扫描（LSV）图。由图可知当电极通过的电流密度为10 mA/cm2时，碱性水溶液中OER反应产氧对应的电位为E10 = 1.519 V，碱性水溶液中ORR反应对应的半波电位为E1/2 = 0.728 V，电流密度能达到~11.0 mA/cm2，ΔE =E10 - E1/2 = 0.791 V。
实施例4：
室温下，将0.15 M CoCl2 ∙ 6H2O，质量分数为6.25 %的尿素溶解在40 mL去离子水中。取碳纸浸泡在该溶液后在90 ℃水浴中反应2 h，自然冷却至室温取出碳纸用去离子水冲洗三次，干燥备用。将上述碳纸在空气中400℃煅烧30 min后得到CFP/Co3O4，随后再将CFP/Co3O4在硫粉(0.5 g)气流下500℃反应60 min,得到CFP/CoS2。将CFP/CoS2浸泡50 mL，浓度为0.01 M ，pH为8.5的Tris碱中，加入25 mg多巴胺，室温下搅拌24 h，用去离子水将样品冲洗三次后干燥得到CFP/CoS2@PDA。将CFP/CoS2@PDA放入管式炉，在Ar气流下350℃反应2h后继续升温至800℃反应2 h，自然冷却至室温后取出得到CFP/Co9S8-Co4S3@C 原位电极。
图4为实施例4所制备的电极OER、ORR线性伏安扫描（LSV）图。由图可知当电极通过的电流密度为10 mA/cm2时，碱性水溶液中OER反应产氧对应的电位为E10 = 1.582 V，碱性水溶液中ORR反应对应的半波电位为E1/2 = 0.669 V，电流密度能达到~9.0 mA/cm2，ΔE =E10 - E1/2 = 0.91 V。
实施例5：
室温下，将0.15 M CoCl2 ∙ 6H2O，质量分数为6.25 %的尿素溶解在40 mL去离子水中。取碳纸浸泡在该溶液后在90℃水浴中反应2 h，自然冷却至室温取出碳纸用去离子水冲洗三次，干燥备用。将上述碳纸在空气中400℃煅烧30 min后得到CFP/Co3O4，随后再将CFP/Co3O4在硫粉(0.5 g)气流下500 ℃反应60 min,得到CFP/CoS2。将CFP/CoS2浸泡在50 mL，浓度为0.01 M ，pH为8.5的Tris碱中，加入40 mg多巴胺，室温下搅拌24 h，用去离子水将样品冲洗三次后干燥得到CFP/CoS2@PDA。将CFP/CoS2@PDA放入管式炉，在Ar气流下350℃反应2 h后继续升温至800℃反应2 h，自然冷却至室温后取出得到CFP/Co9S8-Co4S3@C原位电极 。
图5为实施例5所制备的电极OER、ORR线性伏安扫描（LSV）图。由图可知当电极通过的电流密度为10 mA/cm2时，碱性水溶液中OER反应产氧对应的电位为E10 = 1.557 V，碱性水溶液中ORR反应对应的半波电位为E1/2 = 0.693 V，电流密度能达到~11.0 mA/cm2，ΔE =E10 - E1/2 = 0.86 V。
实施例6：
室温下，将0.15 M CoCl2 ∙ 6H2O，质量分数为6.25 %的尿素溶解在40 mL去离子水中。取碳纸浸泡在该溶液后在90℃水浴中反应2 h，自然冷却至室温取出碳纸用去离子水冲洗三次，干燥备用。将上述碳纸在空气中400℃煅烧30 min后得到CFP/Co3O4，随后再将CFP/Co3O4在硫粉(0.5 g)气流下500 ℃反应60 min,得到CFP/CoS2。将CFP/CoS2浸泡在50 mL，浓度为0.01M ，pH为8.5的Tris碱中，加入60 mg多巴胺，室温下搅拌24 h，用去离子水将样品冲洗三次后干燥得到CFP/CoS2@PDA。将CFP/CoS2@PDA放入管式炉，在Ar气流下350℃反应2 h后继续升温至800℃反应2 h，自然冷却至室温后取出得到CFP/Co9S8-Co4S3@C原位电极。
图6为实施例6所制备的电极OER、ORR线性伏安扫描（LSV）图。由图可知当电极通过的电流密度为10 mA/cm2时，碱性水溶液中OER反应产氧对应的电位为E10 = 1.608 V，碱性水溶液中ORR反应对应的半波电位为E1/2 = 0.695 V，电流密度能达到~5.0 mA/cm2，ΔE =E10 - E1/2 = 0.91 V。
实施例7：
室温下，将0.15 M CoCl2 ∙ 6H2O，质量分数为6.25 %的尿素溶解在40 mL去离子水中。取碳纸浸泡在该溶液后在90℃水浴中反应2 h，自然冷却至室温取出碳纸用去离子水冲洗三次，干燥备用。将上述碳纸在空气中400℃煅烧30 min后得到CFP/Co3O4。将CFP/ Co3O4浸泡在50 mL，浓度为0.01 M ，pH为8.5的Tris碱中，加入40 mg多巴胺，室温下搅拌24 h，用去离子水将样品冲洗三次后干燥得到CFP/CoS2@PDA。将CFP/ Co3O4@PDA放入管式炉，在硫粉(0.5 g)气流下350℃反应2 h后继续升温至700℃反应2 h，自然冷却至室温后取出得到CFP/Co9S8-Co4S3@C 原位电极 。
图7为实施例7所制备的电极OER、ORR线性伏安扫描（LSV）图。由图可知当电极通过的电流密度为10 mA/cm2时，碱性水溶液中OER反应产氧对应的电位为E10 = 1.554 V，碱性水溶液中ORR反应对应的半波电位为E1/2 = 0.680 V，电流密度能达到~10.0 mA/cm2，ΔE =E10 - E1/2 = 0.87 V。
实施例8：
室温下，将0.15 M CoCl2 ∙ 6H2O，质量分数为6.25 %的尿素溶解在40 mL去离子水中。取碳纸浸泡在该溶液后在90℃水浴中反应2 h，自然冷却至室温取出碳纸用去离子水冲洗三次，干燥备用。将上述碳纸在空气中400 ℃煅烧30 min后得到CFP/Co3O4。将CFP/ Co3O4浸泡50 mL，浓度为0.01 M ，pH为8.5的Tris碱中，加入40 mg多巴胺，室温下搅拌24 h，用去离子水将样品冲洗三次后干燥得到CFP/CoS2@PDA。将CFP/ Co3O4@PDA放入管式炉，在硫脲(0.2 g)气流下350℃反应2 h后继续升温至700℃反应2 h，自然冷却至室温后取出得到CFP/Co9S8-Co4S3@C 原位电极 。
图8为实施例8所制备的电极OER、ORR线性伏安扫描（LSV）图。由图可知当电极通过的电流密度为10 mA/cm2时，碱性水溶液中OER反应产氧对应的电位为E10 = 1.539 V，碱性水溶液中ORR反应对应的半波电位为E1/2 = 0.708 V，电流密度能达到~10.0 mA/cm2，ΔE =E10 - E1/2 = 0.83 V。
图9为实施例2、7、8所制备氮掺杂硫化钴阵列与碳原位复合电极的XRD图。由图可知有这三个实施例所制备的电极中均含有Co9S8和Co4S3以及碳，说明该电极是由钴的硫化物混合物和碳组成。
图11为实施例8所制备氮掺杂硫化钴阵列与碳原位复合电极的SEM图。由图（a）可知由该实施例所制备的电极，硫化物针状阵列均匀的生长在碳基底的碳纤维棒上，由图（b）可知，碳均匀包覆在钴的硫化物外层，且硫化钴颗粒有析出在阵列顶端的现象。

Claims (4)

1.一种硫化钴与氮掺杂碳复合阵列电极的制备方法，其特征在于，具体制备方法为：
（1）将氯化钴与尿素溶于去离子水中，利用化学浴沉积方法在导电基底上生长碱式钴盐阵列，再将碱式钴盐阵列于空气中退火形成针状氧化钴阵列，再于硫气氛中退火形成二硫化钴阵列，所述的溶液中氯化钴浓度为50~200 mM，尿素质量分数为3~10 %，所述的空气中和硫气氛中退火的温度为300~500℃，反应时间为0.5~2 h；
（2）将多巴胺在弱碱性缓冲液中聚合到上述生长有氧化钴的阵列或二硫化钴的阵列的基底上后于硫气氛或惰性气氛下退火，自然冷却至室温后取出得到CFP/Co9S8-Co4S3@C原位电极，所述的弱碱性缓冲液为Tris缓冲液，浓度为0.005-0.02 M，多巴胺浓度为0.1~10 mg/mL，所述的惰性气体为Ar气或N2气，硫气氛为硫脲或升华硫，其中退火反应温度500~900℃，退火反应时间为0.5~4 h。
2.根据权利要求1所述的硫化钴与氮掺杂碳复合阵列电极的制备方法，其特征在于，化学浴沉积时间为1 ~ 6 h，水浴温度为70 ~100℃。
3.根据权利要求1所述的硫化钴与氮掺杂碳复合阵列电极的制备方法，其特征在于，所述的导电基底包括碳纸、碳布、石墨纸、泡沫铜或镍中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的硫化钴与氮掺杂碳复合阵列电极的制备方法，其特征在于，所述的多巴胺聚合时间为10~30 h，聚合条件为室温下搅拌进行。
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