CN110064398A - 室温一锅法制备超薄钴基双金属氧化物纳米片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及室温一锅法制备超薄钴基双金属氧化物纳米片，属于催化剂合成技术领域。所述方法以钴氰化钾、金属氯化物为反应原料，一定比例混合后加入强还原剂，在室温常压条件一步反应得到所述的钴基双金属氧化物纳米片。其特征在于所述的钴基双金属氧化物为超薄纳米片，同时富氧缺陷，具有优异的电化学水氧化性能，合成方法简单，能耗低。
Description
技术领域
本发明属于催化剂合成技术领域，具体包括室温一锅法制备超薄钴基双金属氧化物纳米片。
背景技术
金属氧化物作为光/电催化剂、能源存储材料、气敏材料等被广泛使用，具有成本低、耐腐蚀、资源丰富以及环境友好等优点。电化学水氧化是电解水器件与金属-空气电池涉及的关键半反应，是决定能源器件转化效率的重要因素。金属氧化物用于电化学水氧化催化剂的研究成为热点之一。传统贵金属氧化物，如氧化钌(RuO2)和氧化铱(IrO2)，虽具有优异的电化学水氧化活性，但高成本严重限制了该类贵金属催化剂的推广和应用。因此，开发具有高活性、长寿命、低成本的催化剂，对电化学水氧化及其相关技术的发展至关重要。近年来已发展出多种氧化物催化剂，如在泡沫镍上负载铁钴金属氧化物兼具优异的电催化水产氧性能和产氢性能，同时具有较好的稳定性(参见Electrochimica Acta 249,2017,253–262)；在氧化钛上负载镍钴双金属氧化物同样具有高的电化学水氧化性能(参见International Journal of Hydrogen Energy,2017,42(1),119-124.)等。
过渡金属氧化物的催化活性主要受限于以下两方面因素：1)活性位点暴露不充分，降低了反应物与活性位点之间接触的可能性；2)导电性较差，增加了催化过程中的电子转移阻力。增加氧化物表面积，有利于反应物的扩散以及暴露出更多活性位点，从而促进界面电荷的快速转移进而提高活性(参见ACS Catalysis,2018,2(3):1913–1920.)；在氧化物表面引入氧空位，可以提高其导电性(参见Advanced Materials,2017,29(17):1606793.)。上述方法虽然能够提升氧化物催化活性，但合成过程较为复杂(如合成时间长、步骤繁琐等)，合成条件苛刻。所以，迫切寻求简单、高效合成高性能金属氧化物催化剂的方法。
发明内容
本发明目的在于克服背景技术所涉及的技术瓶颈，在室温下一锅法制备超薄钴基双金属氧化物纳米片，并用于电化学水氧化反应。
为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
室温一锅法制备超薄钴基双金属氧化物纳米片，具体包括以下步骤：以钴氰化钾、金属氯化物为反应原料，分别称取一定质量并溶解在去离子水中后按一定比例混合，加入强还原剂，在室温常压条件利用湿化学法一步反应，得到所述的二维钴基双金属氧化物纳米片。
室温一锅法制备超薄钴基双金属氧化物纳米片，其中，金属氯化物为过渡金属氯化物，优选为氯化铁、氯化镍、氯化铜等。
室温一锅法制备超薄钴基双金属氧化物纳米片，其中，强还原剂优选为硼氢化钠。
室温一锅法制备超薄钴基双金属氧化物纳米片的方法，其中，按物质的量比，金属氯化物：钴氰化钾＝1：(1-20)。
室温一锅法制备超薄钴基双金属氧化物纳米片，该纳米片具有良好的原子级尺度片状形貌，表面富氧缺陷。
室温一锅法制备超薄钴基双金属氧化物纳米片，该纳米片应用于电化学水氧化反应，具有优异的催化性能，优于贵金属RuO2/C催化剂。
与现有技术相比较，本发明优点在于：
1)本发明采用的合成方法，具有操作简单(一锅法)，耗能低(室温常压)，成本廉价，拓展性强，易于大规模制备等优点。
2)本发明制备的双金属氧化物纳米片具有超薄结构(3-4nm)，同时富氧缺陷，电化学水氧化性能优异。
附图说明
图1为实施例1所制备的超薄铁钴基双金属氧化物纳米片的扫描电镜图。
图2为实施例1所制备的超薄铁钴基双金属氧化物纳米片的透射电镜图。
图3为实施例1所制备的超薄铁钴基双金属氧化物纳米片的原子力显微电镜图。
图4为实施例2所制备的超薄镍钴基双金属氧化物纳米片的透射电镜图。
图5为实施例3所制备的超薄铜钴基双金属氧化物纳米片的透射电镜图。
图6为实施例1、实施例2、实施例3及贵金属RuO2/C的电催化水氧化性能对比图
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明，但本发明保护范围不限于以下实施例。
所需原料钴氰化钾、氯化铁、氯化镍、氯化铜、硼氢化钠为市场购买，去离子水为实验室自制，并无特殊设备要求。
实例1：室温一锅法超薄铁钴双金属氧化物纳米片，包括如下步骤：
(1)以去离子水作为溶剂配置0.5mol/L的K3Co(CN)6溶液和0.5mol/L的FeCl3溶液，以去离子水作为溶剂配置2.0mol/L NaBH4溶液；
(2)取0.25mL的0.5mol/L的FeCl3溶液和1mL的0.5mol/L的K3Co(CN)6溶液混合，静置12小时；
(3)取100mL2.0mol/L NaBH4溶液，逐滴加入到步骤(2)的混合液中，剧烈搅拌24小时；
(4)离心取黑色沉淀物，再分别用去离子水洗涤3次，真空60℃干燥过夜，得到的粉末固体即为超薄铁钴双金属氧化物纳米片。
结果表明，所制备的铁钴双金属氧化物纳米片厚度在3-4nm，在1M KOH溶液中电化学水氧化性能优异，电流密度为10mA/cm2时过电位为260mV。
实例2：超薄镍钴双金属氧化物纳米片，包括如下步骤：
(1)以去离子水作为溶剂配置0.5mol/L的K3Co(CN)6溶液和0.5mol/L的NiCl2溶液，以去离子水作为溶剂配置2.0mol/L NaBH4溶液；
(2)取0.25mL的0.5mol/L的NiCl2溶液和1mL的0.5mol/L的K3Co(CN)6溶液混合，静置12小时；
(3)取100mL2.0mol/L NaBH4溶液，逐滴加入到步骤(2)的混合液中，剧烈搅拌24小时；
(4)离心取黑色沉淀物，再分别用去离子水洗涤3次，真空60℃干燥过夜，得到的粉末固体即为超薄镍钴双金属氧化物纳米片。
结果表明，所制备的铁钴双金属氧化物纳米片，在1M KOH溶液中电化学水氧化性能优异，电流密度为10mA/cm2时过电位为270mV。
实例3：超薄铜钴双金属氧化物纳米片，包括如下步骤：
(1)以去离子水作为溶剂配置0.5mol/L的K3Co(CN)6溶液和0.5mol/L的CuCl2溶液，以去离子水作为溶剂配置2.0mol/L NaBH4溶液；
(2)取0.25mL的0.5mol/L的CuCl2溶液和1mL的0.5mol/L的K3Co(CN)6溶液混合，静置12小时；
(3)取100mL2.0mol/L NaBH4溶液，逐滴加入到步骤(2)的混合液中，剧烈搅拌24小时；
(4)离心取黑色沉淀物，再分别用去离子水洗涤3次，真空60℃干燥过夜，得到的粉末固体即为超薄铜钴基双金属氧化物纳米片。
结果表明，所制备的铁钴双金属氧化物纳米片，在1M KOH溶液中电化学水氧化性能优异，电流密度为10mA/cm2时过电位为320mV。
Claims (5)
1.室温一锅法制备超薄钴基双金属氧化物纳米片的方法，具体包括：以钴氰化钾、金属氯化物为反应原料，分别称取一定质量并溶解在去离子水中后按一定比例混合，加入强还原剂硼氢化钠，在室温常压条件利用湿化学法一步反应，得到超薄二维钴基双金属氧化物纳米片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，金属氯化物为过渡金属氯化物，优选为氯化铁、氯化镍、氯化铜等。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，按物质的量比，金属氯化物：钴氰化钾＝1：(1-20)。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备的钴基双金属纳米片具有良好的原子级尺度的片状形貌，表面富氧缺陷。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备的钴基双金属纳米片用于电化学水氧化反应，并具有优异的催化性能。
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