[發明專利]無溶劑熱解法合成CoFe合金包裹在N,P共摻雜的碳組裝的空心球納米材料的方法

有效

• 申請號: 202010083266.2
• 申請日: 2020-02-08
• 公開（公告）號: CN111250008B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 王愛軍;牛華杰;馮九菊;陳得軍
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: B01J13/02
• 分類號: B01J13/02;H01M4/90;H01M12/06
• 代理公司: 新鄉市平原智匯知識產權代理事務所(普通合伙) 41139
• 代理人: 路寬

本發明公開了一種無溶劑熱解法合成CoFe合金包裹在N,P共摻雜的碳組裝的空心球納米材料的方法，將三聚氰胺、三氧化二鐵和維生素B12在瑪瑙研缽中研磨均勻，將得到的混合材料置于管式爐中，在氮氣氣氛中，以2℃/min的升溫速率升溫至550℃保持2h，再以5℃/min的升溫速率升溫至700℃保持1.5h，然后自然冷卻至室溫后，將得到的產物在0.5M硫酸溶液中浸泡20h，隨后依次離心、洗滌、烘干得到CoFe@NP?CHS納米材料。本發明制備過程簡單方便，無任何溶劑的使用，制得的空心球結構的材料能顯著提高其對氧還原反應和析氧反應的催化活性，并且該材料在鋅空電池方面具有優異的性能。

技術領域

本發明屬于碳基納米材料的合成技術領域，具體涉及一種簡單的無溶劑熱解法合成CoFe合金包裹在N,P共摻雜的碳組裝的空心球（CoFe@NP-CHS）納米材料的方法。

背景技術

由于高度依賴化石燃料而導致的日益嚴重的環境污染和能源危機等問題，在開發可再生和清潔能源存儲和轉換技術方面引發了極大的興趣。金屬-空氣電池具有低成本、環境友好、高的理論能量密度和好的安全性等優點引起廣泛關注。然而，電化學反應較大的過電位和緩慢的動力學嚴重限制了這些設備的大規模實施。

最近，雜原子（如N和P）摻雜的碳材料由于高度可調的結構和組成、優異的穩定性及易制備等優點，被視為是替代貴金屬催化劑有前景的催化劑。特別地是，由于N和P之間的強供電子能力和大的電負性，N和P原子植入碳晶格中將賦予相鄰的碳原子更正的電荷密度，可加速電子轉移，促進O₂分子的吸附進而提高催化性能。

過渡金屬（M=Ni、Fe、Co等）及其合金摻入碳基質，將增加可獲得的活性位點，調整碳材料的電子結構，提高催化活性。同時金屬納米顆粒（NPs）被包覆于碳骨架中，進一步增加材料的穩定性，防止NPs在測試中團聚。

除了化學組成，結構對催化活性也有非常大的影響。通常，大的比表面積和多孔結構可以暴露足夠的活性位點，并且提供電荷轉移通道來加速催化劑和電解質之間的質量傳輸。因此，設計具有可調結構的雜原子及金屬合金摻雜的碳材料仍然是一個巨大的挑戰。針對這一問題，研究者通過各種方法制備具有形貌的碳材料（納米纖維、納米立方體）這些方法包括水熱法、靜電紡絲法、熱解法及犧牲模板法等。然而這些方法一般都涉及有機溶劑，多步構建，且在制備過程中材料易于坍塌燒結，因此簡單的無溶劑的熱解法制備空心球是目前研究的熱點。

發明內容

本發明為克服現有技術中多步合成空心球碳材料存在的問題而提供了一種制備過程簡單的無溶劑熱解法合成CoFe合金包裹在N,P共摻雜的碳組裝的空心球（CoFe@NP-CHS）納米材料的方法。

本發明為解決上述技術問題采用如下技術方案，無溶劑熱解法合成CoFe合金包裹在N,P共摻雜的碳組裝的空心球納米材料的方法，其特征在于具體步驟為：將三聚氰胺、三氧化二鐵（Fe₂O₃）和維生素B12（VB12）在瑪瑙研缽中研磨均勻，其中三聚氰胺、三氧化二鐵和維生素B12的質量比為10:4:3，將得到的混合材料置于管式爐中，在氮氣氣氛中，以2℃/min的升溫速率升溫至550℃保持2h，再以5℃/min的升溫速率升溫至700℃保持1.5h，然后自然冷卻至室溫后，將得到的產物在0.5M硫酸溶液中浸泡20h，隨后依次離心、洗滌、烘干得到CoFe合金包裹在N,P共摻雜的碳組裝的空心球結構CoFe@NP-CHS納米材料。