一种碳纸支撑的Co-B复合材料电极的制备方法及其在催化硼氢化钠电氧化反应中的应用与流程

本发明涉及一种碳纸支撑的co-b复合材料电极的制备方法及其在催化硼氢化钠电氧化反应中的应用，属于复合材料制备技术领域。

背景技术：

当今社会，随着人口增长，能源消耗在日益增加。人类使用的能源主要包括煤、石油、天然气三大化石能源。但它们属于不可再生能源，亟需寻找一种新的、可代替化石能源的新能源来使用。

燃料电池是一种新型能量转化装置，它可以将燃料和氧化剂中贮存的化学能直接转化为电能。在能量转化过程中，由于不受卡诺循环的限制，其能量转换效率较高。

直接硼氢化物燃料电池是以硼氢化物为燃料的燃料电池，其具有高的能量密度（9300wh·kg^-1）、比容量（5668a·h·kg^-1）和电池电压（以o2为氧化剂，电池电压达到1.64v；以h2o2为氧化剂，电池电压达到2.11v），是新一代空间电源、水下电源和高能量、高功率密度的便携式电源的有力竞争者。nabh4中氢的质量分数高达10.6wt.%，理论上其完全电氧化可以释放出8个电子，是一种理想的燃料。

nabh4的阳极电氧化性能是决定直接硼氢化物燃料电池性能的重要因素之一。目前，高效的nabh4电氧化催化剂为贵金属，但贵金属价格高昂，且储量有限，限制了其实际应用。人们开始寻找贵金属的替代品，其中钴基催化剂可以有效催化硼氢化物中b-h键的断裂，催化硼氢化物电氧化反应的进行，同时其价格低廉，具有良好的应用前景（可参阅dongmingzhang,keye,dianxuecao,binwang,kuicheng,yijuli,guilingwang^*,yangxu^*.co@mwnts-plastic:anovelelectrodefornabh4oxidation[j].electrochimicaacta,2015,156：102-107.及junjunzhang,dongmingzhang^*,cancui,haoyuwang,weizhoujiao,jinggaoandyouzhiliu^*.athree-dimensionalporousco–palloysupportedonacopperfoamasanewcatalystforsodiumborohydrideelectrooxidation[j].daltontransactions,2019,48：13248-13259.）。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种使用一步电沉积法制备具有高活性的碳纸支撑的co-b复合材料电极的制备方法及其在催化硼氢化钠电氧化反应中的应用，避免贵金属催化剂的使用，降低电极成本。

本发明提供了一种碳纸支撑的co-b复合材料电极的制备方法，包括以下步骤：

（1）将碳纸裁剪成10mm×10mm的正方形片，作为电极支撑体；

（2）将步骤（1）中的碳纸作为工作电极，铂片电极作为对电极，氯化银电极作为参比电极，在2.5mol·l^-1kcl、0.3mol·l^-1h3bo3、0.1mol·l^-1cocl2·6h2o和二甲胺基甲硼烷的混合电沉积液中，采用传统的三电极体系，使用恒电流法进行电沉积过程，得到碳纸支撑的co-b复合材料电极。

上述的制备方法进一步说明如下：

所述电沉积碳纸支撑的co-b复合材料电极的电沉积液中，二甲胺基甲硼烷的浓度为0.1~1.2mol·l^-1。

所述恒电流沉积过程，沉积电流密度为-5~-50ma·cm^-2，沉积时间为5~60min。

本发明提供了一种采用上述方法制备的碳纸支撑的co-b复合材料电极。

本发明提供了上述碳纸支撑的co-b复合材料电极在催化硼氢化钠电氧化反应中的应用。

上述应用的具体过程为：以碳纸支撑的co-b复合材料电极作为工作电极，铂片电极作为对电极，氯化银电极作为参比电极，在1.0~5.0mol·l^-1的naoh和0.01~1.00mol·l^-1的nabh4溶液中进行循环伏安测试，扫描范围为-1.20~-0.20v，扫描速度为10mv·s^-1。

本发明的实质是以一步电沉积法制备碳纸支撑的co-b复合材料作为高性能催化剂催化nabh4的电氧化反应。

本发明的有益效果：

（1）碳纸作为支撑体具有导电性高、孔隙率高等优点；

（2）电极制备过程不使用有机粘结剂，使电极具有更高的导电性及稳定性；

（3）在其上负载的co-b复合物由于其协同效应，使其比单质co具有更高的催化nabh4电氧化活性；

（4）co基材料相比贵金属价格低廉，大幅度降低了电极成本。

附图说明

图1为纯co电极（曲线a）及实施例1制备的co-b复合材料电极（曲线b）的循环伏安曲线图。

图2为实施例2和3制备的co-b复合材料电极在测试液中nabh4浓度为0.30mol·l^-1（曲线a）及0.40mol·l^-1（曲线b）时的循环伏安曲线图。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1

将裁剪成10mm×10mm正方形片的碳纸作为工作电极，铂片电极作为对电极，氯化银电极作为参比电极，在2.5mol·l^-1kcl、0.3mol·l^-1h3bo3、0.1mol·l^-1cocl2·6h2o和0.4mol·l^-1二甲胺基甲硼烷的混合溶液中，采用传统的三电极体系，使用恒电流法，在-15ma·cm^-2的电流密度下沉积20min，得到碳纸支撑的co-b复合材料电极。以该电极作为工作电极，铂片电极作为对电极，氯化银电极作为参比电极，在1.0mol·l^-1的naoh和0.20mol·l^-1的nabh4溶液中进行循环伏安测试，扫描范围为-1.20~-0.20v，扫描速度为10mv·s^-1，当电位为-0.5v时，氧化电流密度达到274.3ma·cm^-2。相同条件下制得的纯co电极在该电位下电流密度仅为32.6ma·cm^-2。

图1示出了实施例1相对应的纯co电极（曲线a）及co-b复合材料电极（曲线b）的循环伏安曲线，从图中可以看出co-b复合材料电极上产生了更高的氧化电流密度，说明了co-b复合材料电极催化nabh4电氧化的活性高于纯co电极的活性。

实施例2

将裁剪成10mm×10mm正方形片的碳纸作为工作电极，铂片电极作为对电极，氯化银电极作为参比电极，在2.5mol·l^-1kcl、0.3mol·l^-1h3bo3、0.1mol·l^-1cocl2·6h2o和0.4mol·l^-1二甲胺基甲硼烷的混合溶液中，采用传统的三电极体系，使用恒电流法，在-15ma·cm^-2的电流密度下沉积20min，得到碳纸支撑的co-b复合材料电极。以该电极作为工作电极，铂片电极作为对电极，氯化银电极作为参比电极，在1.0mol·l^-1的naoh和0.30mol·l^-1的nabh4溶液中进行循环伏安测试，扫描范围为-1.20~-0.20v，扫描速度为10mv·s^-1，当电位为-0.2v时，氧化电流密度达到443.7ma·cm^-2。

实施例3

将裁剪成10mm×10mm正方形片的碳纸作为工作电极，铂片电极作为对电极，氯化银电极作为参比电极，在2.5mol·l^-1kcl、0.3mol·l^-1h3bo3、0.1mol·l^-1cocl2·6h2o和0.4mol·l^-1二甲胺基甲硼烷的混合溶液中，采用传统的三电极体系，使用恒电流法，在-15ma·cm^-2的电流密度下沉积20min，得到碳纸支撑的co-b复合材料电极。以该电极作为工作电极，铂片电极作为对电极，氯化银电极作为参比电极，在1.0mol·l^-1的naoh和0.40mol·l^-1的nabh4溶液中进行循环伏安测试，扫描范围为-1.20~-0.20v，扫描速度为10mv·s^-1，当电位为-0.2v时，氧化电流密度达到518.8ma·cm^-2。

图2示出了co-b复合材料电极在测试液中nabh4浓度为0.30mol·l^-1（曲线a对应实施例2）及0.40mol·l^-1（曲线b对应实施例3）时的循环伏安曲线。从图中可以看出，当nabh4浓度为0.40mol·l^-1时，电极上产生了更高的氧化电流密度，说明了增加nabh4浓度提高了电氧化性能。