一种原位生长的自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂及其制备与应用

摘要

本发明公开了一种原位生长的自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂及其制备与应用，是以泡沫镍作为支撑电极，利用乙醇在泡沫镍表面不充分燃烧，使泡沫镍上原位生长镍氧共掺杂碳纳米管网络。本发明提供的催化剂具有催化产过氧化氢产量高、稳定性好、制备过程简便等优点，适用于制备过氧化氢领域。

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体涉及一种原位生长的自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂及其制备方法。

背景技术

H

贵金属材料的ORR催化性能优异，但主要进行四电子路径。Rossmeisl等人使用DFT计算的方式，证明了Pt贵金属中引入Hg能够调控ORR的路径，使得Pt-Hg具有优异的两电子ORR产H

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种原位生长的自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂及其制备方法，用于高效电催化制备H

本发明的第二个目的是提出自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂的用途。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种原位生长的自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂的制备方法，是以泡沫镍作为支撑电极，利用乙醇在泡沫镍表面不充分燃烧，使泡沫镍上原位生长镍氧共掺杂碳纳米管网络。具体包括如下步骤：

步骤1、将泡沫镍依次利用HCl溶液和超纯水进行洗涤，去除氧化层和其它杂质，然后室温干燥；

步骤2、将处理后泡沫镍置于酒精灯上煅烧，即获得原位生长的自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂。

进一步地，步骤1中，所述泡沫镍为边长1-100cm的正方形。

进一步地，步骤1中，所述HCl溶液的浓度为0.1M。

进一步地，步骤2中，所述酒精灯中乙醇的体积浓度为50％-100％。

进一步地，步骤2中，所述煅烧的时间为8-60min。

本发明按上述制备方法所获得的原位生长的自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂具有三维网络结构，可用于电催化氧还原制备过氧化氢。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提出的泡沫镍自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂，具有优异的电催化产H

2、相对于已有技术，本发明制备泡沫镍自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂的方法，不使用强氧化性酸，不产生含酸废水，而且能耗低。

3、本发明制备得到的镍氧共掺杂碳纳米管催化剂无需粘结剂，为后续实际使用节省了制备工序。

4、本发明制备镍氧共掺杂碳纳米管催化剂的方法，可以一步实现镍和氧元素的均匀共掺杂。

附图说明

图1为本发明原位生长的自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂的制备原理图。

图2为本发明实施例1所得自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂的形貌图，其中图2(a)为SEM图、图2(b)为TEM图。

图3为本发明实施例1所得自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂形貌和元素分布图，其中图3(a)为HRTEM图，图3(b)为图3(a)中标注区域的放大图，图3(c-e)为Ni、C以及O元素在碳纳米管上的元素分布图，图3(f)为HRTEM-EDS。

图4为本发明实施例1所得自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂的XPS谱图。

图5为本发明实施例1所得自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂以及原始泡沫镍电极在0.1M Na

图6为本发明实施例1所得自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂在0.1M KOH电解液中电催化产H

图7为本发明实施例1所得自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂以及去除碳管内镍颗粒后得到的催化剂(O-CNT)在0.1M Na

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例1

取边长为5cm的正方形泡沫镍，依次用0.1M HCl溶液和超纯水进行洗涤，以去除氧化层和其它杂质，洗涤后室温干燥。将干燥后的泡沫镍放在酒精灯(乙醇体积浓度为70％)上煅烧30min，即获得原位生长的自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂。

图2为本实施例所得自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂的形貌图，其中图2(a)为SEM图、图2(b)为TEM图。从图中可以看出所得产物形貌为三维网络碳纳米管结构。

图3为本实施例所得自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂的形貌和元素分布图，其中图3(a)为HRTEM图，图3(b)为图3(a)中标注区域的放大图，图3(c-e)为Ni、C以及O元素在碳纳米管上的元素分布图，图3(f)为HRTEM-EDS。从图中可以看出镍颗粒以及氧元素在碳纳米管上均匀的分布，说明实现了镍和氧的共掺杂。

图4为本实施例所得自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂的XPS谱图，其中氧元素原子比为12.9％，镍元素的含量为5.3％。

本实施例所得自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂可用于制备过氧化氢，性能测试如下：

实验中使用双室电解池，隔膜为Nafion117质子交换膜，泡沫镍自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂为工作电极，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，对电极为铂丝电极。

图5为本实施例所得自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂在0.1M Na

图6为本实施例所得自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂在0.1M KOH电解液中的电催化产H

同时，为了验证镍元素催化产过氧化氢的作用，通过将自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂于1M HCl浸泡1h的方式去除碳纳米管中的镍颗粒，制得去除碳管上镍元素后的催化剂(O-CNT)。图7为本实施例所得自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂(O-CNT-Ni)以及去除碳管内镍颗粒后得到的催化剂(O-CNT)在0.1M Na

实施例2

取边长为10cm的正方形泡沫镍，依次用0.1M HCl溶液和超纯水进行洗涤，以去除氧化层和其它杂质，洗涤后室温干燥。将干燥后的泡沫镍放在酒精灯(乙醇体积浓度为80％)上煅烧40min，即获得原位生长的自支撑镍氧共掺杂碳纳米管催化剂。

经表征和测试，本实施例所得催化剂也具有三维网络碳纳米管结构，且具有优异的电催化产H

以上所述仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。