本發(fā)明屬于催化劑合成領(lǐng)域，具體涉及一種納米管結(jié)構(gòu)的Co(OH)₂及其制備方法和用途。

背景技術(shù)：

21世紀社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人口的急劇增加對能源的需求已達到了前所未有的高度，能源問題已成為當(dāng)今世界所要解決的首要問題。隨著煤、石油、天然氣等資源的日益枯竭，人們將面臨嚴重的能源短缺。鑒于此，要想使人類社會得以可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)可再生能源、環(huán)境友好型能源已勢在必行。氫氣以其生產(chǎn)成本低、熱值高、無污染、可循環(huán)等優(yōu)點，已被人們廣泛重視。我們知道，水電解產(chǎn)生氫氣和氧氣，單從熱力學(xué)的角度來講，水裂解反應(yīng)的發(fā)生比較容易，在298K時，標(biāo)準電極電勢為適中的1.23V，但考慮到超電勢等影響，要想使水電解順利發(fā)生，需要的標(biāo)準電極電勢接近2.0V，耗電量大，成本高。從動力學(xué)的角度看，水裂解反應(yīng)的發(fā)生是非常困難的，因為該反應(yīng)是由兩個半反應(yīng)組成，包括水氧化和氫氣還原，其中水氧化反應(yīng)被普遍認為是整個水裂解反應(yīng)的瓶頸，因為水氧化包含了4個質(zhì)子4個電子的轉(zhuǎn)移和O-O鍵的形成過程。通過水分解獲取清潔能源是解決能源問題的重要途徑，水氧化是水裂解反應(yīng)的決定步驟，在電化學(xué)分解中，找到能夠滿足Nernst電勢(E)要求的電催化劑顯得至關(guān)重要。

目前，公認的最有效最常用的水氧化電催化劑是Ru和Ir氧化物，但它們價格昂貴且可利用的稀少。要想利用水氧化電解水制備清潔能源，必須開發(fā)廉價非貴金屬催化劑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在提供一種納米管結(jié)構(gòu)的Co(OH)₂及其制備方法和用途。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

一種Co(OH)₂，其特別之處在于：為納米管結(jié)構(gòu)。

制備方法：將鈷源、氧化亞銅和SDS混合并溶于水與無水乙醇的等體積混合溶液中，超聲分散后，再攪拌使其混合均勻，然后加入硫代硫酸鈉溶液，繼續(xù)攪拌，直至溶液顏色變?yōu)闇\綠色，過濾，洗滌，真空干燥，即得Co(OH)₂。

本發(fā)明方法為硬模板法，其中氧化亞銅為模板劑，可按現(xiàn)有技術(shù)合成或市購獲得；硫代硫酸鈉為協(xié)調(diào)腐蝕劑，用來腐蝕掉氧化亞銅模板。

較好地，以摩爾比計，鈷源∶氧化亞銅∶SDS=1∶4~6∶60~80；水與無水乙醇的等體積混合溶液的用量為溶解當(dāng)量；硫代硫酸鈉溶液的用量為腐蝕當(dāng)量。

較好地，所述鈷源為氯化鈷或硝酸鈷。

較好地，硫代硫酸鈉溶液的濃度為1~5mol/L。

所述的Co(OH)₂作為催化劑的用途。

優(yōu)選Co(OH)₂作為水氧化的電催化劑。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1. 制備方法簡單方便且對制備設(shè)備要求低，降低了實驗過程的安全隱患；鈷源為常見的鈷源，成本低；

2. 本發(fā)明Co(OH)₂的納米管結(jié)構(gòu)有益于促進物質(zhì)傳遞及增大催化活性位；與商業(yè)RuO₂催化劑相比，本發(fā)明Co(OH)₂電催化水氧化的活性和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于RuO₂，且附著于FTO效果好，不脫落，具有很好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為實施例1產(chǎn)物的XRD圖。

圖2為實施例1產(chǎn)物的SEM圖。

圖3為實施例1產(chǎn)物的TEM圖。

圖4為實施例1產(chǎn)物Co(OH)₂及商用RuO₂在1M KOH溶液中的線性掃描伏安圖。

圖5為實施例1產(chǎn)物Co(OH)₂及商用RuO₂在1M KOH溶液中的I-T圖。

圖6為實施例1產(chǎn)物Co(OH)₂及商用RuO₂在1M KOH溶液中的阻抗圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步解釋說明，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此。

實施例1

（1）分別配置CuSO₄（濃度為1mol/L）、C₆H₁₂O₆（濃度為2mol/L）以及NaOH（濃度為2.5mol/L）溶液各25 mL；將CuSO₄溶液加入到150 mL 三口反應(yīng)燒瓶內(nèi)，室溫下攪拌，并緩慢加入NaOH溶液，加完繼續(xù)攪拌10 min，得到Cu(OH)₂漿料，升溫至50 ℃，并把加熱至50 ℃的C₆H₁₂O₆溶液加入反應(yīng)燒瓶，恒溫反應(yīng)1 h，制得Cu₂O漿料抽濾，先用水洗三次，再用無水乙醇洗3次，60 ℃干燥24 h，得到Cu₂O；

（2）稱取步驟（1）中得到的Cu₂O 100 mg、六水氯化鈷34 mg、SDS 3.333 g于燒杯中，加入50 mL蒸餾水和50 mL無水乙醇，超聲5 min，攪拌10 min，然后加入40 mL 1.0 mol/L的Na₂S₂O₃溶液，攪拌，待溶液漸漸由紅色變到淺綠色，離心，用水和無水乙醇將材料洗干凈，真空60℃干燥12 h即得目標(biāo)產(chǎn)物。

產(chǎn)物的XRD測試結(jié)果如圖1所示，形貌觀察如圖2和圖3所示。圖1充分證明制備的產(chǎn)物確實為Co(OH)₂。由圖2和圖3可知，Co(OH)₂材料的結(jié)構(gòu)為納米管結(jié)構(gòu)。

電化學(xué)性能測試

電化學(xué)測試過程是通過工作電極、參比電極、輔助電極組成三電極系在電化學(xué)工作站(CHI760E)上進行的，測試溫度為室溫。首先，稱取實施例1制備的目標(biāo)產(chǎn)物Co(OH)₂ 5 mg，加入1 mL 0.1%（體積分數(shù)）nafion溶液，超聲30 min 使其分散均勻，獲得催化劑分散液；其次，取玻碳電極(直徑3mm)用三氧化二鋁拋光，依次用稀硝酸（濃硝酸與超純水按體積比1:1混合而成）、無水乙醇和超純水清洗；然后，用移液槍移取10μL 催化劑分散液于玻碳電極上面或者300μL催化劑分散液于導(dǎo)電玻璃FTO上面，放在紫外燈下面烤干作為工作電極，參比電極為Ag/AgCl電極，輔助電極為鉑絲，最后用電化學(xué)工作站測試。電解質(zhì)溶液為0.1M KOH溶液，測試前通入氧氣直到溶液中氧氣飽和。以上實驗進行的同時，以商用RuO₂代替Co(OH)₂，作為對照。

圖4為取催化劑分散液10μL于玻碳電極上，烤干后在0.1 M KOH電解質(zhì)溶液中測得的線性掃描伏安圖，掃描速率為10 mv/s。由圖可知在電壓相同的情況下，Co(OH)₂對應(yīng)的電流密度較商用RuO₂高，證明其電化學(xué)活性優(yōu)于商用RuO₂。

圖5為取該催化劑分散液300μL涂在導(dǎo)電玻璃FTO上，在紫外等下烤干后，在0.1 M KOH電解質(zhì)溶液中測得的I-T圖，測試電壓為0.85v，測試時間為24h。由圖可以看出Co(OH)₂的縱坐標(biāo)即電流密度高于RuO₂，證明其穩(wěn)定性明顯優(yōu)于商用RuO₂。

圖6為取催化劑分散液10μL于玻碳電極上，烤干后在0.1 M KOH電解質(zhì)溶液中測得的阻抗圖，測試電壓為開路電壓，高頻為10⁶，低頻為10^-2。Co(OH)₂的電阻雖然高于RuO₂，但是，因Co(OH)₂特殊的納米管結(jié)構(gòu)，利用電解質(zhì)擴散，其電催化活性仍然較高。