[發明專利]一種納米金屬/碳復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201810508430.2
• 申請日: 2018-05-24
• 公開（公告）號: CN108671924B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 田忠良;賴延清;趙澤軍;辛鑫;郭偉昌;宗傳鑫;李劼
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B01J23/755
• 分類號: B01J23/755;B01J23/78;B01J23/80;B01J35/00;B01J35/10;H01M4/90;H01M12/08
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 蔣太煒

本發明公開了一種納米金屬/碳復合材料及其制備方法和應用，該納米復合材料以無定形碳球為骨架，金屬單質均勻地嵌入在碳層中，形成粒度在100～500nm的球狀顆粒。其中無定形碳球具有疏松多孔的結構，比表面積在300～1000m²/g之間，量子級金屬單質粒徑在3～10nm之間。無定形碳球中的多孔結構提供了大量的活性位點，有利于氧氣吸附和析出動力學反應的進行，同時嵌在碳層中的金屬單質可以提高碳材料氧析出的催化活性。該納米復合材料作為催化劑使用時顯示出了較好的催化活性，相對于現有制備催化劑的方法，本發明具有成本低、催化性能優異的特點，適合大規模的市場化應用。

技術領域

本發明涉及催化材料制備領域，特別是涉及一種納米金屬/碳復合材料及其制備方法和應用。

技術背景

隨著社會對能源需求日益增長和人們環保意識的提高，開發出新的可再生能源代替化石能源成為目前各國發展的重點。以鋅、鋁、鎂、鐵為代表的金屬空氣電池可以直接將化學能轉化為電能，具有較高的能量密度、資源豐富、價格低廉，已經被廣泛研究，有望成為新一代儲能裝置。金屬空氣電池空氣電池正極是氧氣，負極為金屬單質。在放電過程中正極發生催化氧還原(ORR)，在充電過程正極發生氧析出反應(OER)。空氣電池能否大規模應用很大程度上取決于正極的催化性能，因此開發出新材料來提高空氣電池正極催化性能有利于空氣電池市場化。

到目前為止，鉑基催化劑和釕/銥基催化劑分別顯示出了催化ORR和OER的性能，但是由于鉑、釕、銥金屬資源緊缺導致價格昂貴，阻礙了空氣電池的市場化發展。經過十幾年的研究發現，碳負載納米級金屬基材料由于具有良好的催化性能并且價格低廉，有望取代鉑基、釕和銥基成為市場化的催化劑。但是目前制備的碳負載金屬催化劑存在金屬負載不均勻，且顆粒較大，在催化過程中金屬粒子會發生團聚并脫落，降低了材料的催化性能。因此有必要找到一種新方法來制備碳負載金屬催化劑來提高材料的催化性能。

發明內容

針對目前制備碳負載金屬催化劑存在金屬顆粒大、催化性能有限的不足，本發明提出一種納米金屬/碳復合材料及其制備方法和應用。該納米復合材料以無定形碳球為骨架，金屬單質均勻地嵌入在碳層中，形成粒度在100～500nm的納米復合材料粒。其中無定形碳球具有疏松多孔的結構，比表面積在300～1000m²/g之間，無定形碳的多孔結構為催化反應提供了大量的活性位點，有利于氧氣吸附和析出動力學反應的進行。嵌在碳層中的金屬單質粒徑在3～10nm之間，這不僅提高了碳球的穩定性，也能防止金屬粒子發生團聚和脫落，提高了材料的催化性能。于現有制備催化劑的方法相比，本發明具有成本低、催化性能優異的特點，適合大規模的市場化應用。

本發明一種納米金屬/碳復合材料所述納米金屬/碳復合材料，以無定形鏤空碳球為骨架，金屬單質均勻地嵌入在碳骨架中，形成粒度在100～500nm的納米金屬/碳復合顆粒；

所述納米金屬/碳復合材料以質量百分比計包括：

無定形碳40％～70％，

金屬A 30％～60％，金屬A粒徑大小在3～10nm之間。

本發明一種納米金屬/碳復合材料所述納米金屬/碳復合材料；所述納米金屬/碳復合材料中，無定形鏤空碳球的粒度在100～500nm之間且無定形鏤空碳球的比表面積為300～1000m²/g。碳球中的空洞結構在10～50nm之間。碳球中的空隙結構為雙性金屬氧化物溶解后留下來的。

本發明一種納米金屬/碳復合材料所述納米金屬/碳復合材料；所述金屬A選自鈷、鎳、鐵、錫、銻、鉍、鉬、銅、銦、銀、鎵鎘、鉛、鉈中至少一種。

本發明一種納米金屬/碳復合材料所述納米金屬/碳復合材料的制備方法，其具體制備過程包括下述步驟：

步驟一