本發(fā)明屬于半導體電催化，具體涉及一種富磷空位釩摻雜cop復合富磷空位cu3p納米管異質結陣列電催化劑(vp-v-cop@cu3p?nthas/cf)。

背景技術：

1、能源消耗的迅速增長和相應的環(huán)境問題加劇了對可再生能源和清潔能源的需求。氫能，由于具有可再生、安全、環(huán)保等優(yōu)勢被譽為21世紀最具潛力的能源，而在多種制氫工藝中，電催化分解水是一種極具發(fā)展前景的制氫技術。陽極的析氧反應(oer)和陰極的析氫反應(her)是電解水的兩個核心，這兩個反應過程共同決定了全解水的能量轉換效率。因此，制備具有高her和oer活性的電催化劑是降低能壘和提高全解水能量效率的關鍵。迄今為止，貴金屬pt和氧化物ruo2、iro2是最有效的her和oer催化劑，但它們的高成本和低豐度限制了其商業(yè)化應用。因此，研究者們致力于構筑高效和穩(wěn)定的非貴金屬基電極材料來替代貴金屬基電催化劑，其中應用比較廣泛的是各種過渡金屬化合物，包括硫化物、磷化物、氮化物以及氧化物等。

2、在多種過渡金屬化合物中，過渡金屬磷化物(tmps)，如ni2p、cop、fep、mop和cu3p等，因其不含貴金屬、具有類氫化酶催化機理和對電解水的高催化活性而得到關注。理論計算和實驗結果均表明，兩種或兩種以上化合物復合不僅能夠發(fā)揮材料各自原有的優(yōu)勢還能夠通過形成異質界面調控局域電子，從而進一步提高電催化劑的催化性能；缺陷的引入能夠調控缺陷位點與宿主原子之間的電荷轉移，優(yōu)化電子結構以減少催化過程中的動能阻礙，從而顯著提高其電催化性能。為了充分發(fā)揮納米復合材料的優(yōu)勢，需要對復合材料的微結構進行優(yōu)化。在各種納米結構中，納米管由于其內部通道清晰、電化學活性面積大、質量和電荷輸運的低動能阻礙，而在各種應用中受到越來越多的關注。目前，關于上述因素協(xié)同效應共同促進電催化劑全解水her和oer性能的研究還不夠深入。因此，如何同時利用異質界面、缺陷及微結構的協(xié)同作用來構建具有高效雙功能電催化劑仍是一個巨大的挑戰(zhàn)?；诖?，本發(fā)明采用水熱-煅燒法制備出一種vp-v-cop@cu3pnthas/cf全解水電催化劑，該電催化劑能高效地催化her、oer及全解水，具有廣闊的實際應用前景。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種成本低，便于規(guī)模制備，應用前景廣闊的vp-v-cop@cu3pnthas/cf全解水電催化劑。本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：

2、(1)將nh4vo3、co(no3)2·6h2o、co(nh2)2和nh4f溶于水中制成nh4vo3、co(no3)2、co(nh2)2和nh4f濃度分別為0.4～4mmol·l-1、36～40mmol·l-1、0.2mol·l-1和0.08mol·l-1的混合水溶液，取該混合水溶液25ml于反應釜中，并將自制的1×1cm2的原位生長在cf上的cu(oh)2納米棒陣列(cu(oh)2nras/cf)放入其中，于100～120℃下水熱反應12h，自然冷卻至室溫后用去離子水多次洗滌、烘干，得到原位生長在cf上的釩摻雜co(oh)2復合cu(oh)2納米棒異質結陣列(v-co(oh)2@cu(oh)2nrhas/cf)；

3、(2)將步驟(1)制得的v-co(oh)2@cu(oh)2nrhas/cf和過量次亞磷酸鈉分別置于兩個瓷舟內，然后將盛有次亞磷酸鈉的瓷舟放于管式爐上游，v-co(oh)2@cu(oh)2nrhas/cf放于下游，在280～300℃下煅燒2h，自然冷卻，制備出vp-v-cop@cu3pnthas/cf電催化劑。

4、與現(xiàn)有全解水電催化劑相比，本發(fā)明公開的vp-v-cop@cu3pnthas/cf電催化劑具有以下優(yōu)勢：

5、(1)原料儲量豐富易得，環(huán)境友好，制備方法簡單易操作，便于規(guī)模制備，應用前景廣闊。

6、(2)富磷空位的cu3p納米管陣列原位生長在泡沫銅(cf)上，富磷空位的v-cop納米顆粒緊密生長在cu3p納米管表面，形成獨特的vp-v-cop@cu3p納米管異質結陣列。其納米管陣列形貌，增加了催化劑的電化學活性面積，暴露出更多的活性位點，而p空位的引入以及異質結的構筑能夠改善局域電子分布，加速電荷遷移速率，提高催化反應動力學，從而使其具有優(yōu)異的her、oer和全解水性能。在1mol·l-1koh電解液中，達到10macm-2的電流密度時，電催化her的過電位為35～65mv，電催化oer的過電位為192～215mv，且vp-v-cop@cu3pnthas/cf(+/-)的全解水系統(tǒng)的電壓僅需1.46～1.51v即可達到10ma?cm-2的電流密度。

技術特征：

1.一種vp-v-cop@cu3pnthas/cf全解水電催化劑，其特征在于，富磷空位的cu3p納米管陣列原位生長在泡沫銅(cf)上，富磷空位的釩摻雜cop納米顆粒緊密生長在富磷空位的cu3p納米管表面，形成獨特的富磷空位釩摻雜cop復合富磷空位cu3p納米管異質結陣列電催化劑(vp-v-cop@cu3pnthas/cf)，其通過以下步驟制備：

2.如權利要求1中所述，一種vp-v-cop@cu3pnthas/cf全解水電催化劑，其特征在于，步驟(1)中nh4vo3的濃度為0.4～4mmol·l-1，co(no3)2的濃度為36～39.6mmol·l-1，co(nh2)2的濃度為0.2mol·l-1，nh4f的濃度為0.08mol·l-1，水熱反應溫度為100～120℃；步驟(2)中煅燒溫度為280～300℃。

3.如權利要求1所述，一種vp-v-cop@cu3pnthas/cf全解水電催化劑，其特征在于，該催化劑具有優(yōu)異的電催化her、oer和全解水性能，在1mol·l-1koh電解液中，達到10macm-2的電流密度時，電催化her的過電位為35～65mv，電催化oer的過電位為192～215mv，以vp-v-cop@cu3pnthas/cf為陰、陽極的全解水系統(tǒng)僅需1.46～1.51v的電壓即可達到10macm-2的電流密度。

4.如權利要求1所述，一種vp-v-cop@cu3pnthas/cf全解水電催化劑，其特征在于，原位生長在cf上的納米管陣列形貌，增加了催化劑的電化學活性面積，暴露出更多的活性位點，而p空位的引入以及異質結的構筑能夠調控局域電子分布，加速電荷遷移速率，提高催化反應動力學。

技術總結
本發(fā)明公開了一種V<subgt;P</subgt;?V?CoP@Cu<subgt;3</subgt;PNTHAs/CF全解水電催化劑，屬于半導體電催化技術領域。將自制的原位生長在泡沫銅(CF)上的Cu(OH)<subgt;2</subgt;納米棒陣列(Cu(OH)<subgt;2</subgt;NRAs/CF)置于含有NH<subgt;4</subgt;VO<subgt;3</subgt;、Co(NO<subgt;3</subgt;)<subgt;2</subgt;、CO(NH<subgt;2</subgt;)<subgt;2</subgt;和NH<subgt;4</subgt;F的混合水溶液中，通過水熱反應制備出原位生長在CF上的V摻雜Co(OH)<subgt;2</subgt;復合Cu(OH)<subgt;2</subgt;納米棒異質結陣列(V?Co(OH)<subgt;2</subgt;@Cu(OH)<subgt;2</subgt;NRHAs/CF)，然后將其與次亞磷酸鈉分置于管式爐中，在280～300℃下煅燒2h，制備出富磷空位的V摻雜CoP復合富磷空位Cu<subgt;3</subgt;P納米管異質結陣列(V<subgt;P</subgt;?V?CoP@Cu<subgt;3</subgt;PNTHAs/CF)電催化劑，其納米管陣列形貌，增加了催化劑的電化學活性面積，暴露出更多的活性位點，而P空位的引入以及異質結的構筑能夠調控局域電子分布，加速電荷遷移速率，提高催化反應動力學，從而使其具有優(yōu)異的HER、OER和全解水性能，在1mol·L<supgt;?1</supgt;KOH電解液中，達到10mAcm<supgt;?2</supgt;的電流密度時，電催化HER的過電位為35～65mV，電催化OER的過電位為192～215mV，且以V<subgt;P</subgt;?V?CoP@Cu<subgt;3</subgt;P?NTHAs/CF(+/?)為陰、陽極的全解水系統(tǒng)的電壓僅需1.46～1.51V即可達到10mAcm<supgt;?2</supgt;的電流密度。

技術研發(fā)人員：孫永開,李鎮(zhèn)江,陳嵐,呂賀,孟阿蘭
受保護的技術使用者：青島濱海學院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/10