[發(fā)明專利]一種氧還原和析氧磷化鈷@NPC雙功能復(fù)合催化劑及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710318217.0
• 申請日: 2017-05-08
• 公開（公告）號: CN107051559B
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 錢東;李軍;閔紫嫣;劉桂雨;劉貝貝
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: B01J27/185
• 分類號: B01J27/185;B01J27/24;H01M4/90;C25B1/04;C25B11/06
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 張偉;魏娟

本發(fā)明公開了一種氧還原和析氧Co₂P@NPC雙功能復(fù)合催化劑及其制備方法和應(yīng)用；所述復(fù)合催化劑由N和P共摻雜碳層包覆Co₂P納米棒和/或納米顆粒構(gòu)成，其制備方法為將含醋酸鈷、濃磷酸和尿素的水溶液蒸發(fā)、烘干后，置于保護(hù)氣氛下，在高溫?zé)崽幚恚吹谩Ｔ撝苽浞椒ê唵巍⒊杀镜停欣诠I(yè)化生產(chǎn)；所制備的Co₂P@NPC復(fù)合催化劑應(yīng)用于燃料電池及水分解作為氧還原和析氧雙功能催化劑，具有活性高和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，接近于商用貴金屬20wt％Pt/C和RuO₂催化劑的催化性能，展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具備氧還原(ORR)和析氧(OER)Co₂P@NPC雙功能的復(fù)合催化劑及其制備和應(yīng)用方法，特別涉及一種可用于燃料電池的氧還原及用于水分解的析氧N和P共摻雜碳層包覆Co₂P(Co₂P@NPC)雙功能復(fù)合催化劑及制備方法，屬于電催化技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

ORR和OER反應(yīng)分別是燃料電池及電解水的重要電化學(xué)反應(yīng)過程。然而反應(yīng)中復(fù)雜的多電子轉(zhuǎn)移過程會導(dǎo)致高的過電位，使得它們具有反應(yīng)緩慢的控制步驟，需要尋找高效的催化劑來提高反應(yīng)速率以適應(yīng)實際應(yīng)用中的需要。目前，性能最好的ORR催化劑為Pt基催化劑，性能最好的OER催化劑為RuO₂或IrO₂。然而，Pt基催化劑的OER性能與RuO₂或IrO₂的ORR性能并不好，而且高成本及差的穩(wěn)定性不利于它們的大規(guī)模應(yīng)用。尋找可替代的高效催化劑成為這些能量轉(zhuǎn)換和儲存器件廣泛商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。鈷磷化合物(包括CoP、CoP₂和Co₂P)具有一定的電催化性能，且具有資源豐富、成本低廉、環(huán)境友好和易于合成等優(yōu)點(diǎn)，它們的OER性能被研究人員所廣泛關(guān)注。但是由于其導(dǎo)電性差及活性位點(diǎn)缺乏等方面的原因阻礙了它們的發(fā)展。通過控制它們的形貌或與導(dǎo)電性良好的材料復(fù)合可以顯著提高它們的電化學(xué)催化性能。其中，與具有良好的導(dǎo)電性能的碳基材料復(fù)合尤為引人注目。中國專利(CN106111171A)公開了一種碳層包裹的磷化鈷的合成方法，具體公開首先合成含鈷的金屬有機(jī)框架材料，然后依次經(jīng)過高溫?zé)峤狻⒖諝庋趸偷蜏亓谆铣闪颂紝影牧谆挕⑺频玫牧谆捵鳛樗嵝院蛪A性條件下的氫析出催化劑，具有高活性和高穩(wěn)定性。該方法制備過程繁瑣復(fù)雜，且碳層包裹磷化鈷材料的電催化活性一般。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中單一CoP₂作為ORR和OER電催化劑存在活性和電導(dǎo)率低的缺陷，本發(fā)明的目的之一是在于提供一種催化活性高、穩(wěn)定性好，同時具備ORR和OER電催化活性，且綜合催化性能接近于商用貴金屬20wt％Pt/C和RuO₂催化劑的Co₂P@NPC雙功能復(fù)合催化劑。

本發(fā)明的第二個目的是在于提供一種操作簡單、低成本制備所述氧還原和析氧Co₂P@NPC雙功能復(fù)合催化劑的方法；該方法實現(xiàn)了N和P共摻雜碳層和Co₂P的一步生成且原位復(fù)合，工藝簡單，滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求。

本發(fā)明的第三個目的在于提供所述Co₂P@NPC雙功能復(fù)合催化劑作為氧還原催化劑在燃料電池中的應(yīng)用，在堿性介質(zhì)中，氧還原Co₂P@NPC雙功能復(fù)合催化劑綜合催化性能接近于商用貴金屬20wt％Pt/C。

本發(fā)明的第四個目的在于提供所述Co₂P@NPC雙功能復(fù)合催化劑作為析氧催化劑在電解水中的應(yīng)用，在堿性介質(zhì)中，析氧Co₂P@NPC雙功能復(fù)合催化劑綜合催化性能接近于商用貴金屬RuO₂催化劑。

為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供了一種氧還原和析氧Co₂P@NPC雙功能復(fù)合催化劑，該雙功能復(fù)合催化劑由N和P共摻雜碳層包覆Co₂P納米棒和/或納米顆粒構(gòu)成。