[發明專利]一種碳包覆碳摻雜球狀硫化鈷及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201811376711.3
• 申請日: 2018-11-19
• 公開（公告）號: CN109546167B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 李福枝;石璞;陳真;劉躍軍
• 申請（專利權）人: 湖南工業大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M12/08
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 代芳

本發明提供了一種碳包覆碳摻雜球狀硫化鈷及其制備方法與應用，涉及電池催化劑制備技術領域。本發明以葡萄糖和乙二醇為混合碳源，經水熱反應和焙燒，將部分碳均勻摻雜在形成的硫化鈷內部；大量的碳源包覆在硫化鈷的外表面，形成碳包覆的碳摻雜球狀硫化鈷。碳包覆在硫化鈷外表面和碳摻雜在硫化鈷顆粒內，可有效減緩堿性電解質的侵蝕，提高催化劑的穩定性。從實施例可以看出：球狀硫化鈷的粒徑尺寸為780nm～1.3μm，所述硫化鈷顆粒內部摻雜碳，外表層包覆碳層，所述包覆碳層的厚度為3.1～4.3nm。

技術領域

本發明涉及電池催化劑制備技術領域，尤其涉及一種碳包覆碳摻雜球狀硫化鈷及其制備方法和應用。

背景技術

金屬-空氣電池尤其是鋁-空氣電池，將是最有前途的能量轉換與儲存技術。鋁空氣電池有不少特點，比如價格低，環境友好，運行溫度低(常溫)，實際能量密度高達600wh·kg^-1。但是，鋁-空氣電池的空氣電極在常溫下的反應速度非常慢，需要催化劑來催化提速。目前最好的催化劑是商業JM 20％Pt/C，但是鉑金屬非常昂貴，且稀少，很難大規模地商業應用。因此，尋找高效的非鉑金屬催化劑已成為該電池的瓶頸問題。

近十年里，過渡金屬硫化物(例如錳硫化物、鈷硫化物、鐵硫化物等)已被開發應用于Pt基催化材料的替代品。在堿性電解質下，鈷硫化物是所有非貴金屬硫系化合物中活性最高的催化劑，這主要是在催化過程中鈷硫化物可以原位轉化為具有納米孔的氧化物和/或氧羥基，形成更多的活性位點，從而增加電化學活性。但在堿性電解質下，Co_1-xS易受到OH^-腐蝕，而使得催化氧還原的穩定性下降。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種碳包覆碳摻雜球狀硫化鈷及其制備方法和應用。本發明的碳包覆在硫化鈷外表面和摻雜在硫化鈷顆粒內，可有效減緩堿性電解質的侵蝕，提高硫化鈷的穩定性。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種碳包覆碳摻雜球狀硫化鈷的制備方法，包括以下步驟：

(1)將硫源與水混合，用堿調節pH值至中性，得到硫源溶液；

(2)將所述步驟(1)得到的硫源溶液與乙二醇、葡萄糖和鈷源混合后，進行水熱反應，得到前軀體；

(3)在惰性氣體保護下，將所述步驟(2)得到的前軀體焙燒，得到所述碳包覆碳摻雜球狀硫化鈷。

優選地，所述硫源包括半胱氨酸、硫脲或硫化鈉。

優選地，所述鈷源包括六水合氯化鈷或六水合硝酸鈷。

優選地，所述硫源、水、乙二醇、葡萄糖和鈷源的用量比為4～12mmol：40～50mL：30～40mL：4～12mmol：2～6mmol。

優選地，所述水熱反應的溫度為140～180℃，時間為8～12h。

優選地，所述焙燒的溫度為400～500℃，時間為1～3h。

本發明還提供了上述技術方案所述制備方法得到的碳包覆碳摻雜球狀硫化鈷，所述球狀硫化鈷的粒徑尺寸為780nm～1.3μm，所述硫化鈷顆粒內部摻雜碳，外表層包覆碳層，所述包覆碳層的厚度為3.1～4.3nm。

本發明還提供了上述技術方案所述碳包覆碳摻雜球狀硫化鈷作為空氣電極催化劑的應用。