CN113981482A - 一种钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列及其制备方法和应用 - Google Patents

一种钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及纳米材料制备和应用领域，具体涉及一种钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列及其制备方法和应用。该纳米片阵列的制备方法简单，只需要水热反应结合后续磷化处理即可。该钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列包括泡沫镍基底和纳米片，所述纳米片以阵列形式近似垂直生长在泡沫镍基底上，纳米片的横向尺寸为0.5～2μm，厚度为5～20 nm；纳米片具有丰富的介孔，介孔的尺寸为2～5 nm。得益于其独特的二维介孔结构和均匀的钴元素掺杂，这种纳米片阵列在电催化HER、OER和全解水方面均具有优异的性能，优于目前报道的其它Cu3P基纳米材料。

Description

一种钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及纳米材料制备和应用领域，尤其涉及一种钴掺杂磷化铜（Cu3P）二维介孔纳米片阵列及其制备方法和应用。
背景技术
由于煤炭、石油、天然气等传统化石燃料的巨大消耗，全球能源危机日益严重。建立清洁、可持续的能源供应体系已成为全世界关注的问题。氢气因其燃烧热值高、无污染、使用方便等独特优势，已被公认为最理想的能源载体之一。电催化分解水制取氢气是一种具有广阔应用潜力的方法。它包括阴极的析氢反应(HER)和阳极的析氧反应(OER)。高效的电催化剂在实际应用中对加速水分解起着重要作用。虽然铂基和钌/铱基贵金属材料分别在HER和OER中可作为高效电催化剂使用，但其低储量和高价格限制了其大规模应用。因此，探索高效、经济的水分解电催化剂已成为近年来材料科学领域的热门课题。
FeP、CoP、Ni2P和Cu3P等过渡金属磷化物因其电导率高、稳定性好、丰度高而成为近年来备受关注的电催化剂。最近的研究表明，Cu3P是HER极具潜力的催化材料。比如，Cu3P纳米线阵列作为HER电催化剂具有很高的效率，通过143 mV的过电位就可以驱动10mA/cm2的电流密度。但总体而言，Cu3P基纳米材料在电催化领域的应用仍然相对较少，尤其是在OER和全解水领域。而且，现有的Cu3P基电催化剂的催化活性和稳定性仍然缺乏竞争力，需要进一步提高。总之，亟待开发一种新型、性能优异的的Cu3P基电催化剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列及其制备方法，以解决现有高活性Cu3P基电催化剂的制备问题。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。
本发明提供的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列，包括基底和以阵列形式负载于所述基底上的纳米片；所述纳米片的横向尺寸为0.5～2μm，厚度为5～20 nm，纳米片具有丰富的介孔，介孔的尺寸为2～5 nm。
优选地，所述基底为泡沫镍。
优选地，所述纳米片为具有均匀的钴元素掺杂的磷化铜二维介孔纳米片。
本发明提供的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)，在生长前，首先把泡沫镍基底用丙酮浸泡5～10分钟，然后在强超声作用下用盐酸溶液浸泡5～20分钟，最后用去离子水和乙醇彻底清洗；
步骤(2)，先将硝酸铜（Cu(NO3)2·3H2O）、硝酸钴（Co(NO3)2·6H2O）和尿素按摩尔比1 : （0.25～2）: （5～10）放入聚四氟乙烯高压釜内胆中，然后加入去离子水至内胆填充度为50～80 %，搅拌0.5～2小时得到均匀溶液，然后放入步骤(1)中清洗好的泡沫镍基底，将高压釜放入鼓风干燥箱中，设定反应温度为120 °C，保温时间3～15小时，待反应完毕，高压釜自然冷却后，取出泡沫镍基底，用去离子水和无水乙醇反复洗涤至水溶液呈中性，最后将洗涤后的泡沫镍基底放入烘箱在70°C下干燥2～8小时，得到钴铜双金属氢氧化物纳米片阵列；
步骤(3)，将步骤(2)中得到的钴铜双金属氢氧化物纳米片阵列和0.4～1 g次磷酸钠（NaH2PO2）分别放置在石英舟中，再将石英舟放置在管式炉中，设定氩气气氛中350°C煅烧0.5～2小时，即得到钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列。
优选地，所述步骤(2)中，硝酸铜（Cu(NO3)2·3H2O）、硝酸钴（Co(NO3)2·6H2O）和尿素的摩尔比为1 : 1: 10。
本发明提供的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列材料能够作为电催化分解水反应的电催化剂。
本发明的技术效果是：（1）本发明的制备过程简单，只需要水热反应结合后续磷化处理即可；（2）制备的Cu3P纳米片以阵列形式排列在泡沫镍基底上，纳米片具有较高的介孔性和均匀的钴掺杂；（3）这种纳米片阵列在电催化HER、OER和全解水方面均具有优异的性能，优于目前报道的其它Cu3P基纳米材料。
附图说明
图1中(a)为本发明所制备的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列材料的X射线衍射（XRD）图谱，图1中(b)和(c)为本发明所制备的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列材料的原子结构示意图。
图2为本发明所制备的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列材料的扫描电子显微镜（SEM）照片。
图3为本发明所制备的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列材料的透射电子显微镜（TEM）照片。
图4为本发明所制备的对比材料纳米线阵列的扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）照片。
图5为本发明所制备的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列材料的电催化HER性能曲线图。
图6为本发明所制备的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列材料的电催化OER性能曲线图。
图7为本发明所制备的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列材料的电催化全解水性能曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例详细说明本发明的技术方案及其所具有的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质，但不能对本发明的实施和保护范围构成任何限定。
在以下实施例中，在钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列生长之前，先通过以下步骤处理生长所需要的泡沫镍基底：首先用丙酮浸泡5～10分钟，然后在强超声作用下用盐酸溶液浸泡5～20分钟，最后用去离子水和乙醇彻底清洗。
制备实施例1：
先将硝酸铜（Cu(NO3)2·3H2O）、硝酸钴（Co(NO3)2·6H2O）和尿素按摩尔比1 : 1:10放入聚四氟乙烯高压釜内胆中，然后加入去离子水至内胆填充度为70 %，搅拌0.5小时得到均匀溶液，然后放入清洗好的泡沫镍基底，将高压釜放入鼓风干燥箱中，设定反应温度为120 °C，保温时间6小时，待反应完毕，高压釜自然冷却后，取出泡沫镍基底，用去离子水和无水乙醇反复洗涤至水溶液呈中性，最后放入烘箱在70°C下干燥8小时，得到钴铜双金属氢氧化物纳米片阵列。将得到的钴铜双金属氢氧化物纳米片阵列和0.6 g次磷酸钠（NaH2PO2）分别放置在石英舟中，再将石英舟放置在管式炉中，设定氩气气氛中350°C煅烧1小时，即得到钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列。
制备实施例2：
先将硝酸铜（Cu(NO3)2·3H2O）、硝酸钴（Co(NO3)2·6H2O）和尿素按摩尔比1 : 0.5:10放入聚四氟乙烯高压釜内胆中，然后加入去离子水至内胆填充度为70 %，搅拌1小时得到均匀溶液，然后放入清洗好的泡沫镍基底，将高压釜放入鼓风干燥箱中，设定反应温度为120 °C，保温时间6小时，待反应完毕，高压釜自然冷却后，取出泡沫镍基底，用去离子水和无水乙醇反复洗涤至水溶液呈中性，最后放入烘箱在70°C下干燥8小时，得到钴铜双金属氢氧化物纳米片阵列。将得到的钴铜双金属氢氧化物纳米片阵列和0.6 g次磷酸钠（NaH2PO2）分别放置在石英舟中，再将石英舟放置在管式炉中，设定氩气气氛中350°C煅烧1小时，即得到钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列。
制备实施例3：
先将硝酸铜（Cu(NO3)2·3H2O）、硝酸钴（Co(NO3)2·6H2O）和尿素按摩尔比1 : 1:10放入聚四氟乙烯高压釜内胆中，然后加入去离子水至内胆填充度为70 %，搅拌1小时得到均匀溶液，然后放入清洗好的泡沫镍基底，将高压釜放入鼓风干燥箱中，设定反应温度为120 °C，保温时间4小时，待反应完毕，高压釜自然冷却后，取出泡沫镍基底，用去离子水和无水乙醇反复洗涤至水溶液呈中性，最后放入烘箱在70°C下干燥8小时，得到钴铜双金属氢氧化物纳米片阵列。将得到的钴铜双金属氢氧化物纳米片阵列和0.6 g次磷酸钠（NaH2PO2）分别放置在石英舟中，再将石英舟放置在管式炉中，设定氩气气氛中350°C煅烧1小时，即得到钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列。
制备实施例1~3制得的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列材料中，钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片以阵列形式近似垂直生长在泡沫镍基底上，纳米片的横向尺寸为0.5～2μm，厚度为5～20 nm；纳米片具有丰富的介孔，介孔的尺寸为2～5 nm。
所制备的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列能够作为电催化分解水反应的电催化剂。对所述钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列的电催化HER，OER和全解水性能进行测试，测试技术方案为：采用电化学工作站的三电极系统测试电催化性能。对电极采用石墨棒电极，参比电极采用饱和甘汞电极。将在泡沫镍上生长的纳米片阵列裁剪成5 mm×5 mm，用作工作电极进行测试。以1M KOH水溶液为电解液。采用线性扫描伏安法测量极化曲线，扫描速率设置为0.002 V/s。所有测量的电势均转化为可逆氢电极电势。
图1a是对所制备的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列使用X-ray衍射仪进行检测得到的XRD谱图。从谱图可以看出，所得产物为Cu3P (JCPDS No. 02-1263) 。图1b和图1c的原子结构示意图可以更加清晰的看出Cu3P的原子结构。
图2是对所制备的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列用场发射扫描电子显微镜观测后拍摄得到的照片。可以看出，纳米片表面呈现出粗糙的、孔洞遍布的表面。纳米片的横向尺寸为0.5～2μm，厚度为5～20 nm，并且表面具有丰富的孔洞。
图3是对所制备的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列用透射电子显微镜观测后拍摄得到的照片。可以看出，纳米片具有丰富的介孔结构，介孔的尺寸为2～5 nm。通过高分辨透射电子显微镜图像，可以观察到晶格条纹间距为0.25 nm，与立方相Cu3P晶格的(112)晶面吻合。P、Cu、Co元素的mapping图片进一步表明Co元素在Cu3P纳米片中均匀分布。
制备对比例：
通过以下步骤小心地处理生长所需要的泡沫镍基底：首先用丙酮浸泡5～10分钟，然后在强超声作用下用盐酸溶液浸泡5～20分钟，最后用去离子水和乙醇彻底清洗。
对比材料纳米线阵列的制备是按以下步骤完成的：先将硝酸铜（Cu(NO3)2·3H2O）、硝酸钴（Co(NO3)2·6H2O）、尿素和十六烷基三甲基溴化铵按摩尔比1 : 1: 13: 3放入聚四氟乙烯高压釜内胆中，然后加入去离子水至内胆填充度为70 %，搅拌1小时得到均匀溶液，然后放入清洗好的泡沫镍基底，将高压釜放入鼓风干燥箱中，设定反应温度为120 °C，保温时间12小时，待反应完毕，高压釜自然冷却后，取出泡沫镍基底，用去离子水和无水乙醇反复洗涤至水溶液呈中性，最后放入烘箱在70°C下干燥8小时。为了得到最终产物，将反应、干燥后得到的泡沫镍基底和0.6 g次磷酸钠（NaH2PO2）分别放置在石英舟中。石英舟被放置在管式炉中，设定氩气气氛中350°C煅烧1小时。
图4是所制备的对比材料纳米线阵列的扫描电子显微镜和透射电子显微镜照片。可以看出，纳米线表面具有类似于糖葫芦状的粗糙表面，由大量微小的纳米粒子组成。在高分辨透射电子显微镜图像中可以观察到Cu3P的晶格条纹。
图5是所制备钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列材料的电催化HER性能曲线图。所制备的纳米线阵列（如图4所示）、单独的泡沫镍和商用20% Pt/C粉末作为对比材料。LSV测量结果表明，钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列在HER中具有最高的活性，在电流密度为10mA/cm2时，其过电位仅为99 mV（图5a）。值得一提的是，纳米片阵列在高电流区表现出更明显的优势，仅需要121、153和182 mV的过电位即可分别驱动20、50和100 mA/cm2的电流密度。纳米片阵列过电位过值远低于纳米线阵列和单独的泡沫镍。在类似的实验条件下，纳米片阵列的过电位值也优于先前报道的与Cu3P相关的电催化剂，包括三维树枝状Cu-Co-P、层级化纳米Cu3P等。同时纳米片阵列也具有较小的塔菲尔斜率(图5b)，远低于纳米线阵列和文献报道的大多数与Cu3P有关的电催化剂，说明其表面的HER反应动力学更快。我们进一步研究了固定电势下电流密度的时间依赖性，以测试纳米片阵列的耐久性；结果表明，连续测试20 h后，电流密度没有明显衰减(图5c)，说明纳米片阵列在HER中的耐久性较好。
图6是所制备钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列材料的电催化OER性能。由图6a可知，纳米片阵列驱动OER电流密度10、20、50和100 mA/cm2的过电位较小，分别为272、312、343和365 mV，远低于纳米线阵列、单独的泡沫镍和商用IrO2。与文献报道的其他与Cu3P相关的电催化剂(如类松木状半金属Cu3P纳米阵列，晶态Cu3P纳米片，多孔Cu3P@C等)相比，纳米片阵列的OER过电位也有明显优势。此外，纳米片阵列的塔菲尔斜率非常小，为83.2 mV/dec(图6b)，表明OER中的电子/传质过程非常有效，OER动力学更快。为了评估其长期耐久性，纳米片阵列在固定过电位下测试了20 h(图6c)；结果表明，连续测试20小时的电流密度波动可以忽略不计，反映了纳米片阵列作为OER电催化剂的优良耐久性。
图7是所制备钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列材料的电催化全解水性能。由于纳米片阵列在HER和OER中都表现出优异的性能，因此将其应用于对称结构的双电极体系中，以评估其电催化全解水性能(图7)。我们发现，只需电压1.66 V即可驱动10mA/cm2的电流密度，与纳米线阵列(1.76 V)相比具有明显优势(图7a)。这一数值也远低于文献报道的其他与Cu3P有关的电催化剂，如晶态Cu3P磷化纳米片(1.67 V)和NiFe-LDH∥Cu3P (1.72V)。此外，基于纳米片阵列的对称双电极体系在连续水分解测试12 h中表现出可接受的稳定性(图7b)；结果支持了纳米片阵列可以作为一种优良的电催化剂在全解水中应用。
这种钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列具有优异的电催化性能，主要是由于其独特的结构特征。一方面，高介孔二维纳米片结构为物质/气体运输提供了大量暴露的活性位点和足够的通畅性；另一方面，垂直和密集排列的纳米片阵列保证了其与泡沫镍基底的强附着力，这不仅有利于高效电荷转移，而且提高了电极的稳定性和耐久性。此外，钴元素的掺杂可以减弱反应中间体与Cu3P的结合强度，从而提高电催化活性。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列，其特征在于，包括基底和负载于所述基底上的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片；所述基底为泡沫镍，所述纳米片以阵列形式近似垂直生长在泡沫镍基底上，纳米片的横向尺寸为0.5～2μm，厚度为5～20 nm；纳米片具有丰富的介孔，介孔的尺寸为2～5 nm。
2.根据权利要求1所述的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列，其特征在于，所述磷化铜二维介孔纳米片具有均匀的钴元素掺杂。
3.根据权利要求1所述的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将硝酸铜、硝酸钴和尿素溶解在水中，并置于反应釜中；向反应釜中放入泡沫镍基底，将反应釜保持在120 °C下3～15小时；对所述泡沫镍基底进行洗涤和干燥，再进一步进行磷化处理，得到钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述硝酸铜、硝酸钴和尿素的摩尔比为1 : （0.25～2）: （5～10）。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，对所述泡沫镍基底进行洗涤和干燥的步骤为：用去离子水和无水乙醇反复洗涤反应后的泡沫镍基底至水溶液呈中性，再将洗涤后的泡沫镍基底放入烘箱在70°C下干燥2～8小时。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述进一步进行磷化处理的步骤为：将洗涤、干燥后的泡沫镍基底和0.4～1 g次磷酸钠分别放置在石英舟中，再将石英舟放置在管式炉中，设定氩气气氛中350°C煅烧0.5～2小时。
7.根据权利要求1所述的钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列在电催化分解水方面的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述钴掺杂磷化铜二维介孔纳米片阵列能够作为优异的电催化剂用于HER、OER和全解水。
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