[發明專利]一種碳-氮復合物包覆的鎳-鈷-鐵/碳-氮材料的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 201810267860.X
• 申請日: 2018-03-29
• 公開（公告）號: CN108479839A
• 公開（公告）日: 2018-09-04
• 發明（設計）人: 易清風;余亮;李廣;陳瑤;楊孝昆
• 申請（專利權）人: 湖南科技大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J33/00;B01J35/00;B01J37/08;H01M4/90
• 代理公司: 張家界市慧誠商標專利事務所 43209
• 代理人: 高紅旺

本發明公開了一種碳?氮復合物包覆的鎳?鈷?鐵/碳?氮材料的制備方法，包括步驟：(1）制備含明膠的鎳、鈷和亞鐵離子乙二胺絡合物的混合物；（2）將三聚氰胺分散于該混合物中形成催化劑前驅體?1；(3）將催化劑前驅體?1分步熱解，得到催化劑前驅體?2；(4）在催化劑前驅體?2的表面修飾聚多巴胺，隨后熱解，得到一種碳?氮復合物包覆的鎳?鈷?鐵/碳?氮材料。本發明首先將鎳、鈷和亞鐵離子的乙二胺絡合物按一定比例摻雜進入碳?氮復合物結構中，這些金屬相互之間的協同效應也極大地提高了催化劑的電活性；采用分步熱解使氮以原位方式高效率摻入碳結構中；通過在催化劑顆粒表面形成碳?氮復合物保護層，極大提高了催化劑的穩定性和電催化活性。

技術領域

本發明屬于新型電化學能源材料領域，具體涉及到一種碳-氮復合物包覆的鎳-鈷-鐵/碳-氮材料的制備方法及其應用。

背景技術

目前，尋找環境友好型、符合可持續發展理念的新型能源受到了世界各國政府和科學技術工作者的高度重視。電化學能源技術順應了這一發展理念，所以各種新型的電化學能源受到人們廣泛關注，在這些新型的電化學能源技術中，金屬-空氣電池具有明顯的優點，其應該前景非常廣泛。在這些金屬-空氣電池中，可充電型的電池由于可以反復使用而更具有實際意義。以堿性鋅-空氣電池為例，它的正、負極電極反應可以表示為：

放電過程：

負極：Zn + 4OH^- ? Zn(OH^-)₄^2- +2e

正極：2H₂O + O₂ + 4e ? 4OH^-

充電過程：

負極： Zn(OH^-)₄^2- +2e ? Zn + 4OH^-

正極： 4OH^-? 2H₂O + O₂+ 4e

即對于正極來說，放電過程和充電過程是氧氣和水（OH^-）之間的相互轉化過程，即放電過程是氧還原反應（ORR），而充電過程是氧析出反應（OER）。要順利實現這一轉化過程，合適的電催化劑非常重要，也就是說，氧氣和水（OH^-）之間的電催化轉化是非常關鍵的步驟。在眾多的電催化劑中，鉑，以及鉑基復合材料被認為是用于氧還原反應 (ORR)的最好催化劑；而釕和銥的氧化物是氧析出反應(OER)的最好催化劑。然而, 不管是鉑或鉑的復合材料，還是釕和銥的氧化物，這些材料的成本高、耐久性差，而且它們在地球上的資源有限，嚴重制約了它們的實際應用。因此, 開發高效率、低成本和具有良好穩定性的ORR和OER催化劑，以便替代貴重金屬催化劑，是一項具有重要實際應用價值的工作。大量的研究與技術開發工作表明，某些非貴金屬摻雜的碳-氮復合物材料具有優異的物理/化學性質，在電化學新能源催化領域具有重大的潛在應用價值。通過在碳納米結構中進行氮摻雜，可以對其中摻雜的某些金屬納米顆粒起到穩定作用，由此可以制備出優異的ORR和OER電催化劑。

發明內容

本發明的目的是提供一種碳-氮復合物包覆的鎳-鈷-鐵/碳-氮材料，本發明的目的還提供了一種碳-氮復合物包覆的鎳-鈷-鐵/碳-氮材料的制備方法。

為達到上述目的，本發明的實施方案為：一種碳-氮復合物包覆的鎳-鈷-鐵/碳-氮材料的制備方法，包括以下步驟：