[發明專利]一種石墨烯支撐氮摻雜碳膜包覆四氧化三鈷復合材料及制備與應用

在審

• 申請號: 201611260390.1
• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN106602078A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 牛曉君;謝貴婷
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司44245
• 代理人: 羅觀祥

技術領域

本發明屬于能源材料的制備和應用領域，具體涉及一種石墨烯支撐氮摻雜碳膜包覆四氧化三鈷(Co₃O₄)復合材料及其制備方法，所述復合材料用于金屬空氣燃料電池、可再生燃料電池的陰極氧還原催化劑。

背景技術

隨著能源的耗竭和環境的污染，因此開發新能源技術是全世界各國的共識。可再生燃料電池和金屬空氣電池已經成為下一代清潔能源技術的首選之一，由于其具有很多突出優點：能量轉化效率高、無污染、方便使用、安全性能好和環境友好。然而，可再生燃料電池和金屬空氣電池反應過程中最關鍵的是陰極氧還原反應(oxygen reduction reaction，ORR)。目前用于可再生燃料電池和金屬空氣電池ORR活性最高的是鉑以及鉑基催化劑，由于其儲存量較小，價格昂貴，并且表現出較差穩定性，嚴重阻礙了質子膜燃料電池和金屬空氣電池的發展。因此開發催化活性和穩定高的非貴金屬催化劑，對可再生燃料電池和金屬空氣電池商業化有著重大意義。

在過渡金屬氧化物中，鈷氧化物(Co_xO_y)被認為是有希望取代鉑以及鉑基催化劑應用于質子膜燃料電池和金屬空氣電池。但是傳統合成的鈷氧化物(Co_xO_y)顆粒比較大，導電性差，從而阻礙其應用于質子膜燃料電池和金屬空氣電池。因此，我們需要開發出新的合成和改性方法去減少顆粒粒徑和增加電子導電性。

發明內容

本發明要解決的技術問題就是針對可再生燃料電池和金屬空氣電池采用鉑以及鉑基催化劑儲存量較小，價格昂貴，并且表現出較差穩定性等缺點，提供一種石墨烯支撐氮摻雜碳膜包覆四氧化三鈷(Co₃O₄)復合材料及其制備方法。該方法所制備出的石墨烯支撐氮摻雜碳膜包覆Co₃O₄復合材料，ORR催化活性高，穩定性較佳，同時該方法簡單易操作，成本低、易于產業化。

本發明的再一目的在于提供上述石墨烯支撐氮摻雜碳膜包覆四氧化三鈷(Co₃O₄)復合材料的應用。所述復合材料用于金屬空氣燃料電池和/或可再生燃料電池領域，用作陰極氧還原催化劑。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

一種石墨烯支撐氮摻雜碳膜包覆四氧化三鈷(Co₃O₄)復合材料的制備方法，包括以下步驟：

1)將P123、鈷鹽和三聚氰胺分別配成水溶液，得到P123溶液、鈷鹽溶液和三聚氰胺溶液；

2)將鈷鹽溶液加入P123溶液中，攪拌混合，加入三聚氰胺溶液，繼續攪拌，得混合溶液；

3)將石墨烯分散于水中，得到石墨烯懸浮液；將石墨烯懸浮液加入步驟2)的混合溶液中混合均勻，升溫攪拌直至水蒸干，得前驅體粉體材料；

4)將步驟3)所得前驅體粉體材料，在惰性氣體氣氛下，升溫至150-200℃進行預燒，然后在220-350℃進行煅燒；最后在750-900℃繼續煅燒，得到黑色粉體材料；

5)將步驟4)所得黑色粉體材料進行清洗，烘干，得到石墨烯支撐氮摻雜碳膜包覆四氧化三鈷(Co₃O₄納米顆粒)復合材料。

所述P123為聚環氧乙烷-聚環氧丙烷-聚環氧乙烷三嵌段共聚物， P-123；

步驟1)中所述P123溶液的濃度為0.05-0.5g/ml，所述鈷鹽溶液的濃度為2-10mg/ml，所述三聚氰胺溶液的濃度為0.1-1g/ml；

步驟1)中所述鈷鹽與P123的質量比為(20～50)mg：(0.1～1)g；所述三聚氰胺與P123的質量比為(0.2～2)g：(0.1～1)g；

步驟1)中所述鈷鹽為硫酸鈷、硝酸鈷和醋酸鈷中的一種以上。

步驟2)中所述攪拌混合是指在常溫下以20-60rpm速度攪拌0.5-1h，所述繼續攪拌是指在常溫下以20-60rpm速度攪拌0.5-1h；

步驟3)中所述石墨烯懸浮液的濃度為0.5-10mg/ml；步驟3)中所述石墨烯懸浮液中石墨烯與混合溶液中鈷鹽的質量比為(16～80)mg：(20～50)mg；步驟3)中所述混合均勻是指常溫下以20-60rpm速度攪拌0.5-5h；

步驟3)中所述升溫的溫度為60-100℃下，所述升溫攪拌的轉速為20-60rpm；