一种由多孔碳化木负载钴铈的自支撑电催化剂

本申请涉及一种由多孔碳化木负载钴铈的自支撑电催化剂，属于多孔催化剂。

背景技术：

1、随着化石燃料的燃烧造成的环境问题日益突出，亟须开发可再生清洁能源，其中电化学析氧反应在各种能量转换和存储技术方面起着重要的作用。阳极析氧反应（oer）进行的是四电子转移过程，反应速率缓慢且能耗高，需要较高的过电位来驱动反应进行。且析氧反应主要使用的贵金属催化剂，如ruo2和iro2等，成本高和储量低限制了它们的应用。因此，开发低成本、稳定且高效的析氧反应电催化剂具有重要意义。

2、为提高oer电催化剂活性，构建具有协同效应的不同物种的电催化剂是一种普遍的途径。二氧化铈是一种重要的稀土金属氧化物，ceo2具有ce4+和 ce3+状态之间的可控变化、丰富的氧空位、独特的氧化还原特性、高氧迁移率和防腐能力，近年来已广泛应用于电催化剂中。另一方面，氢氧化钴（co（oh）2）被广泛认为是性能最好的oer催化剂之一。两者的协同作用，进一步促进电子转移。但还存在载体不可持续的问题。

3、当前催化剂主要负载的商业碳载体，如碳纸、石墨板和碳布等，具有价格高及不可降解等缺点，且电催化剂需要黏附于载体上进行测试。生物质碳材料来源广泛，资源丰富，已应用于能源生产、医药、食品包装、电化学等领域。其中木材在地球上储量丰富，绿色可降解。木材易碳化，碳化后具有导电性，其优异的机械性能使得其可作为独立电极使用。碳化木材作为独立电极，可通过电沉积的方式直接将电催化剂沉积于电极上，简单易操作。木材本身具有多孔结构，碳化后结构仍能保持。垂直排列的通道更有利于电解液的渗透和气体的释放，提高oer反应速率。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提供一种由多孔碳化木负载钴铈的自支撑电催化剂，以去木质素的碳化木材为载体电沉积负载co（oh）2-ceo2，不仅成本低，绿色环保，电极可自支撑，还具有高效稳定的电催化性能，拓展了木材在电催化领域的应用。

2、具体地，本申请是通过以下方案实现的：

3、一种由多孔碳化木负载钴铈的自支撑电催化剂，所述自支撑电催化剂的制备步骤如下：

4、步骤一，木片经去木质素处理、热处理和酸处理得到碳化木，

5、步骤二，在三电极体系中，以碳化木、铂片和hg/hgo电极分别用作工作电极、对电极和参比电极，硝酸钴和硝酸铈组成电解液，通过电沉积得到由多孔碳化木负载的co（oh）2-ceo2的自支撑电催化剂。

6、该自支撑电催化剂的制备方法主要包括以下步骤：木片经过去木质素处理、热处理和酸处理得到碳化木材，碳化木材作为自支撑电极使用；在三电极体系中碳化木材作为工作电极，电解液由硝酸钴和硝酸铈组成，通过电沉积得到由多孔碳化木材负载的co（oh）2-ceo2自支撑电催化剂。本发明制备的电催化剂以去木质素的碳化木材作为自支撑电极，co（oh）2和ceo2负载于木材表面及孔洞内壁。木材本身具有的三维孔状结构经过热处理后也仍能保持，采用去木质素的方法进一步扩大孔径，提高比表面积，更多的暴露电催化活性位点。另外，起主要催化作用的co（oh）2和ceo2，两者的协同作用可以提高反应活性、增强电子电导率、拓展反应途径，从而促进催化活性及稳定性。

7、步骤一中：

8、所述木质素处理方法如下：配置3~5%的naclo2溶液，溶液ph值调至4~5，将木片浸泡于该溶液中，在90~100℃的水浴中加热1~6h进行去木质素处理。待反应结束后冷却至室温用去离子水和乙醇多次超声清洗木片并干燥，得到去木质素的木片。

9、所述热处理是指：去木质素处理后的木片置于管式炉中，先在400~600℃下氩气气氛中热处理1~4h，再升温至800~1000℃热处理1~4h，待冷却至室温后得到碳化木材。更优选的，去木质素处理后的木片先在500℃热处理1h，再升温至900℃热处理2h。

10、所述酸处理是指：热处理后的木片浸泡于65%硝酸中超声处理0.5~2h，然后用去离子水和乙醇超声清洗并烘干，得到具有亲水性的碳化木材。

11、步骤二中：

12、电解液由0~0.1m硝酸钴和0~0.1m硝酸铈组成。

13、硝酸钴和硝酸铈的摩尔比为1~9:1~9。

14、电沉积过程中，碳化木首先在10~20ma cm-2阳极处理300~800s，使no3-插层，然后在-10~-20ma cm-2阴极沉积300~2000s。更优选的，碳化木首先在20ma cm-2阳极处理，然后在-20ma cm-2阴极沉积。

15、上述自支撑电催化剂直接作为析氧反应自支撑电极使用。该电催化剂采用碳化木材作为自支撑电极，co（oh）2-ceo2负载于碳化木材表面及孔壁内。使用碳化木材作为独立电极，电沉积的方式负载电催化剂，解决了传统载体不可降解及电催化剂不易负载的问题。并且木材本身的多孔结构有利于电解液的渗透和气体的释放，提高oer反应速率。此外，co（oh）2和ceo2的协同作用，进一步促进电子转移，从而提高反应动力学。

16、与现有技术相比，本申请的有益效果简单概括如下：

17、（1）相比于传统的碳载体，木材来源广泛，成本低且绿色环保。而且木材具有一定的机械性能，通过简单的热处理便能得到自支撑的碳载体，可直接作为电极使用。

18、（2）木材本身具有三维孔状结构，热处理后该结构特点也仍能保持。而上述去木质素处理还进一步扩大孔径、提高比表面积，使其更多的暴露电催化活性位点，从而极大的提升了电催化活性。

19、（3）木材负载的co（oh）2和ceo2起主要催化作用，两者的协同作用可以提高反应活性、增强电子电导率、拓展反应途径，从而促进催化活性及稳定性。

技术特征：

1.一种由多孔碳化木负载钴铈的自支撑电催化剂，其特征在于，所述自支撑电催化剂的制备步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种由多孔碳化木负载钴铈的自支撑电催化剂，其特征在于，步骤一中，所述木质素处理方法如下：配置3~5%的naclo2溶液，溶液ph值调至4~5，将木片浸泡于该溶液中，在90~100℃的水浴中加热1~6h进行去木质素处理。

3.根据权利要求1所述的一种由多孔碳化木负载钴铈的自支撑电催化剂，其特征在于，步骤一中，所述热处理是指：去木质素处理后的木片先在400~600℃下氩气气氛中热处理1~4h，再升温至800~1000℃热处理1~4h。

4.根据权利要求1所述的一种由多孔碳化木负载钴铈的自支撑电催化剂，其特征在于：去木质素处理后的木片先在500℃热处理1h，再升温至900℃热处理2h。

5.根据权利要求1所述的一种由多孔碳化木负载钴铈的自支撑电催化剂，其特征在于，步骤一中，所述酸处理是指：热处理后的木片浸泡于65%硝酸中超声处理0.5~2h。

6.根据权利要求1所述的一种由多孔碳化木负载钴铈的自支撑电催化剂，其特征在于：步骤二中，电解液由0~0.1m硝酸钴和0~0.1m硝酸铈组成。

7.根据权利要求1或6所述的一种由多孔碳化木负载钴铈的自支撑电催化剂，其特征在于：硝酸钴和硝酸铈的摩尔比为1~9:1~9。

8. 根据权利要求1所述的一种由多孔碳化木负载钴铈的自支撑电催化剂，其特征在于：步骤二中，电沉积过程中，碳化木首先在10~20ma cm-2阳极处理300~800s，使no3-插层，然后在-10~-20ma cm-2阴极沉积300~2000s。

9. 根据权利要求7所述的一种由多孔碳化木负载钴铈的自支撑电催化剂，其特征在于：碳化木首先在20ma cm-2阳极处理，然后在-20ma cm-2阴极沉积。

10.根据权利要求1所述的一种由多孔碳化木负载钴铈的自支撑电催化剂，其特征在于：所述自支撑电催化剂直接作为析氧反应自支撑电极使用。

技术总结
本申请提供一种由多孔碳化木负载钴铈的自支撑电催化剂，属于多孔催化剂技术领域。木片经去木质素处理、热处理和酸处理得到碳化木，在三电极体系中，以碳化木为工作电极，硝酸钴和硝酸铈组成电解液，通过电沉积得到由多孔碳化木负载的Co（OH）<subgt;2</subgt;‑CeO<subgt;2</subgt;的自支撑电催化剂。本发明制备的电催化剂不仅成本低，绿色环保，电极可自支撑，还具有高效稳定的电催化性能，拓展了木材在电催化领域的应用。

技术研发人员：陈祥,沈陶艺,余厚咏,张瑞,杨兰兰
受保护的技术使用者：浙江理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/17