[發(fā)明專利]一種鈷氮共摻雜碳載體負載的納米鎳鐵水滑石復合材料及其制備方法和應用

有效

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• 申請日: 2017-03-22
• 公開（公告）號: CN106898787B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發(fā)明（設計）人: 張鐵銳;王青;尚露;佟振合;吳驪珠
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M12/08;B01J27/24;B82Y30/00
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 張文祎

技術領域

本發(fā)明涉及新能源技術領域。更具體地，涉及一種鈷氮共摻雜碳載體負載的納米鎳鐵水滑石復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

鋅空氣電池，由于價格低廉，環(huán)保，比能量密度高(1084Wh kg-1)，有望成為新一代能源。目前阻礙其進一步廣泛應用的是，鋅空氣電池所用負極材料催化氧氣氧化(OER)和還原反應(ORR)的效率低。分別為ORR和OER活性最高的催化劑，然而價格昂貴，儲量稀少，限制了其在批量使用。雖然研究者已發(fā)現(xiàn)一些非貴金屬材料可代替貴金屬使用，如氮摻雜的碳材料的ORR活性已經(jīng)超過Pt,過渡金屬氧化物/氫氧化物/氮化物/磷化物等的OER活性已超越Ru/Ir。但是仍然缺乏能同時高效催化OER和ORR的雙功能催化劑。

鎳鐵水滑石，易于在表面形成NiOOH，在催化氧氣氧化反應(OER)具有很高的活性。但是其在合成過程中，易于團聚，不利于活性位點充分暴露。同時，其導電性差，影響反應過程中電荷傳遞。

因此，本發(fā)明提出一種鈷氮共摻雜碳載體負載的納米級鎳鐵水滑石復合材料，充分利用鎳鐵水滑石和鈷氮共摻雜碳材料的協(xié)同作用，得到新型、高效的雙功能材料，催化氧氣氧化還原反應，并作為鋅空氣電池負極材料使用。

發(fā)明內容

本發(fā)明的一個目的在于提供一種鈷氮共摻雜碳載體負載的納米鎳鐵水滑石復合材料。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種鈷氮共摻雜碳載體負載的納米鎳鐵水滑石復合材料的制備方法。本發(fā)明采用二氧化硅保護沸石咪唑酯骨架結構材料前驅體的方法，得到高分散碳基納米顆粒材料，再將鎳鐵水滑石原位生長于碳材料上。

本發(fā)明的第三個目的在于提供一種鈷氮共摻雜碳載體負載的納米鎳鐵水滑石復合材料的應用。

為達到上述第一個目的，本發(fā)明采用下述技術方案：

一種鈷氮共摻雜碳載體負載的納米鎳鐵水滑石復合材料，所述復合材料以鈷氮共摻雜的碳材料為載體；所述鈷氮共摻雜的碳材料的表面原位負載鎳鐵水滑石納米顆粒。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)鎳鐵水滑石易在表面形成NiOOH，催化氧氣氧化反應(OER)，但是其在合成過程中，易于團聚，不利于活性位點充分暴露，同時導電性差，因此本發(fā)明為進一步提高其OER反應活性，采用鈷氮共摻雜的碳材料作為載體。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)鈷氮共摻雜的碳材料具有優(yōu)異的導電性，高的比表面積，可分散鎳鐵水滑石，充分暴露活性位點，從而促進OER反應活性。同時，鈷氮共摻雜的碳材料本身在氧氣還原反應(ORR)中，也顯示出很高的活性。

優(yōu)選地，所述鈷氮共摻雜的碳材料中Co、N和C的摩爾比為0.5～5:1～10:90。更優(yōu)選地，所述鈷氮共摻雜的碳材料中Co、N和C的摩爾比為2:5:90，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，在2:5:90摩爾比下，鈷氮共摻雜的碳材料ORR活性最高。

優(yōu)選地，所述鎳鐵水滑石納米顆粒的尺寸為3～200nm；進一步地，在本發(fā)明的某些具體實施方式中，例如，所述鎳鐵水滑石納米顆粒的尺寸為3～100nm、3～90nm、3～80nm、3～70nm、3～60nm、3～50nm、3～40nm、3～30nm、3～20nm、3～10nm、3～5nm等；更優(yōu)選地，所述鎳鐵水滑石納米顆粒的尺寸為10～90nm、20～80nm、30～70nm、40～60nm等；更優(yōu)選地，所述鎳鐵水滑石納米顆粒的尺寸為20～70nm、20～60nm、20～50nm、20～40nm、20～30nm等；更優(yōu)選地，所述鎳鐵水滑石納米顆粒的尺寸為30～60nm、30～50nm、30～40nm等；更優(yōu)選地，所述鎳鐵水滑石納米顆粒的尺寸為40～50nm等。本發(fā)明中鎳鐵水滑石的尺寸是原料配比、制備步驟和工藝參數(shù)相互配合、共同作用的結果。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，通過調整原料配比、制備步驟和工藝參數(shù)，得到的鎳鐵水滑石納米顆粒的尺寸越小，最終鈷氮共摻雜碳載體負載的納米鎳鐵水滑石復合材料的活性越高，在鎳鐵水滑石納米顆粒的尺寸為3～5nm時，得到的復合材料的活性最優(yōu)。

優(yōu)選地，所述鎳鐵水滑石納米顆粒與鈷氮共摻雜的碳材料的質量比為0.5～2:1；更優(yōu)選地，所述鎳鐵水滑石納米顆粒與鈷氮共摻雜的碳材料的質量比為1:1，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)在該質量比下得到的復合材料的OER和ORR活性最優(yōu)。

為達到上述第二個目的，本發(fā)明采用下述技術方案：

一種鈷氮共摻雜碳載體負載的納米鎳鐵水滑石復合材料的制備方法，包括如下步驟：