一种纳米管结构的Co(OH)2及其制备方法和用途与流程

本发明属于催化剂合成领域，具体涉及一种纳米管结构的Co(OH)₂及其制备方法和用途。

背景技术：

21世纪社会经济的飞速发展和人口的急剧增加对能源的需求已达到了前所未有的高度，能源问题已成为当今世界所要解决的首要问题。随着煤、石油、天然气等资源的日益枯竭，人们将面临严重的能源短缺。鉴于此，要想使人类社会得以可持续发展，开发可再生能源、环境友好型能源已势在必行。氢气以其生产成本低、热值高、无污染、可循环等优点，已被人们广泛重视。我们知道，水电解产生氢气和氧气，单从热力学的角度来讲，水裂解反应的发生比较容易，在298K时，标准电极电势为适中的1.23V，但考虑到超电势等影响，要想使水电解顺利发生，需要的标准电极电势接近2.0V，耗电量大，成本高。从动力学的角度看，水裂解反应的发生是非常困难的，因为该反应是由两个半反应组成，包括水氧化和氢气还原，其中水氧化反应被普遍认为是整个水裂解反应的瓶颈，因为水氧化包含了4个质子4个电子的转移和O-O键的形成过程。通过水分解获取清洁能源是解决能源问题的重要途径，水氧化是水裂解反应的决定步骤，在电化学分解中，找到能够满足Nernst电势(E)要求的电催化剂显得至关重要。

目前，公认的最有效最常用的水氧化电催化剂是Ru和Ir氧化物，但它们价格昂贵且可利用的稀少。要想利用水氧化电解水制备清洁能源，必须开发廉价非贵金属催化剂。

技术实现要素：

本发明的目的旨在提供一种纳米管结构的Co(OH)₂及其制备方法和用途。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种Co(OH)₂，其特别之处在于：为纳米管结构。

制备方法：将钴源、氧化亚铜和SDS混合并溶于水与无水乙醇的等体积混合溶液中，超声分散后，再搅拌使其混合均匀，然后加入硫代硫酸钠溶液，继续搅拌，直至溶液颜色变为浅绿色，过滤，洗涤，真空干燥，即得Co(OH)₂。

本发明方法为硬模板法，其中氧化亚铜为模板剂，可按现有技术合成或市购获得；硫代硫酸钠为协调腐蚀剂，用来腐蚀掉氧化亚铜模板。

较好地，以摩尔比计，钴源∶氧化亚铜∶SDS=1∶4~6∶60~80；水与无水乙醇的等体积混合溶液的用量为溶解当量；硫代硫酸钠溶液的用量为腐蚀当量。

较好地，所述钴源为氯化钴或硝酸钴。

较好地，硫代硫酸钠溶液的浓度为1~5mol/L。

所述的Co(OH)₂作为催化剂的用途。

优选Co(OH)₂作为水氧化的电催化剂。

本发明具有以下优点：

1. 制备方法简单方便且对制备设备要求低，降低了实验过程的安全隐患；钴源为常见的钴源，成本低；

2. 本发明Co(OH)₂的纳米管结构有益于促进物质传递及增大催化活性位；与商业RuO₂催化剂相比，本发明Co(OH)₂电催化水氧化的活性和稳定性明显优于RuO₂，且附着于FTO效果好，不脱落，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1产物的XRD图。

图2为实施例1产物的SEM图。

图3为实施例1产物的TEM图。

图4为实施例1产物Co(OH)₂及商用RuO₂在1M KOH溶液中的线性扫描伏安图。

图5为实施例1产物Co(OH)₂及商用RuO₂在1M KOH溶液中的I-T图。

图6为实施例1产物Co(OH)₂及商用RuO₂在1M KOH溶液中的阻抗图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步解释说明，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1

（1）分别配置CuSO₄（浓度为1mol/L）、C₆H₁₂O₆（浓度为2mol/L）以及NaOH（浓度为2.5mol/L）溶液各25 mL；将CuSO₄溶液加入到150 mL 三口反应烧瓶内，室温下搅拌，并缓慢加入NaOH溶液，加完继续搅拌10 min，得到Cu(OH)₂浆料，升温至50 ℃，并把加热至50 ℃的C₆H₁₂O₆溶液加入反应烧瓶，恒温反应1 h，制得Cu₂O浆料抽滤，先用水洗三次，再用无水乙醇洗3次，60 ℃干燥24 h，得到Cu₂O；

（2）称取步骤（1）中得到的Cu₂O 100 mg、六水氯化钴34 mg、SDS 3.333 g于烧杯中，加入50 mL蒸馏水和50 mL无水乙醇，超声5 min，搅拌10 min，然后加入40 mL 1.0 mol/L的Na₂S₂O₃溶液，搅拌，待溶液渐渐由红色变到浅绿色，离心，用水和无水乙醇将材料洗干净，真空60℃干燥12 h即得目标产物。

产物的XRD测试结果如图1所示，形貌观察如图2和图3所示。图1充分证明制备的产物确实为Co(OH)₂。由图2和图3可知，Co(OH)₂材料的结构为纳米管结构。

电化学性能测试

电化学测试过程是通过工作电极、参比电极、辅助电极组成三电极系在电化学工作站(CHI760E)上进行的，测试温度为室温。首先，称取实施例1制备的目标产物Co(OH)₂ 5 mg，加入1 mL 0.1%（体积分数）nafion溶液，超声30 min 使其分散均匀，获得催化剂分散液；其次，取玻碳电极(直径3mm)用三氧化二铝抛光，依次用稀硝酸（浓硝酸与超纯水按体积比1:1混合而成）、无水乙醇和超纯水清洗；然后，用移液枪移取10μL 催化剂分散液于玻碳电极上面或者300μL催化剂分散液于导电玻璃FTO上面，放在紫外灯下面烤干作为工作电极，参比电极为Ag/AgCl电极，辅助电极为铂丝，最后用电化学工作站测试。电解质溶液为0.1M KOH溶液，测试前通入氧气直到溶液中氧气饱和。以上实验进行的同时，以商用RuO₂代替Co(OH)₂，作为对照。

图4为取催化剂分散液10μL于玻碳电极上，烤干后在0.1 M KOH电解质溶液中测得的线性扫描伏安图，扫描速率为10 mv/s。由图可知在电压相同的情况下，Co(OH)₂对应的电流密度较商用RuO₂高，证明其电化学活性优于商用RuO₂。

图5为取该催化剂分散液300μL涂在导电玻璃FTO上，在紫外等下烤干后，在0.1 M KOH电解质溶液中测得的I-T图，测试电压为0.85v，测试时间为24h。由图可以看出Co(OH)₂的纵坐标即电流密度高于RuO₂，证明其稳定性明显优于商用RuO₂。

图6为取催化剂分散液10μL于玻碳电极上，烤干后在0.1 M KOH电解质溶液中测得的阻抗图，测试电压为开路电压，高频为10⁶，低频为10^-2。Co(OH)₂的电阻虽然高于RuO₂，但是，因Co(OH)₂特殊的纳米管结构，利用电解质扩散，其电催化活性仍然较高。