[發(fā)明專利]一種低鉑載量氮摻雜多孔空心碳球復(fù)合物的制備方法及其產(chǎn)品和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010416545.6
• 申請(qǐng)日: 2020-05-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111477891B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 易清風(fēng);盛況;候利鋒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖南科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/92
• 分類號(hào): H01M4/92;H01M4/88
• 代理公司: 張家界市慧誠(chéng)商標(biāo)專利事務(wù)所 43209
• 代理人: 高紅旺

一種低鉑載量氮摻雜多孔空心碳球復(fù)合物的制備方法，首先制備出對(duì)ORR具有良好電活性的非貴金屬催化劑，然后在此基礎(chǔ)上通過(guò)簡(jiǎn)單的溶液浸漬法，在其上面沉積少量鉑納米顆粒，最后通過(guò)石墨烯包覆處理、熱處理，將鉑納米顆粒穩(wěn)定化并形成大量的活性位點(diǎn)，從而形成高度穩(wěn)定的、低鉑載量的、高活性的ORR催化劑。這了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將尿素作為造孔劑，在空心碳球上產(chǎn)生大量的微孔，從而有利于鉑納米顆粒的沉積，并與鈷，以及氮等形成大量活性位點(diǎn)；由于鈷負(fù)載的多孔氮摻雜空心碳球本身就具有良好的ORR活性，所以即使少量的鉑納米顆粒存在，也使最終的催化劑具有與商品鉑碳幾乎相同的電催化活性。這種新型的電催化劑在燃料電池以及金屬?空氣電池等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)能源材料領(lǐng)域，具體涉及到一種低鉑載量氮摻雜多孔空心碳球復(fù)合物及其制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)

燃料電池和金屬-空氣電池由于其優(yōu)異的性能而成為化石替代能源的新一代電化學(xué)能源裝置。這些電池的陰極過(guò)程都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即都是氧還原反應(yīng)（ORR），但ORR本身是一個(gè)動(dòng)力學(xué)緩慢過(guò)程，并且氧還原過(guò)程中還可能產(chǎn)生中間產(chǎn)物過(guò)氧化物，它對(duì)催化劑產(chǎn)生毒化作用，并且降低了電池的能量密度。在目前的ORR電催化劑中，鉑或鉑基材料對(duì)ORR具有最好的電催化活性，但由于鉑的成本太高、資源有限，嚴(yán)重制約了這類電池的實(shí)際應(yīng)用。雖然目前有很多關(guān)于使用非貴金屬ORR電催化劑的報(bào)道與研究，但在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，這類非貴金屬ORR催化劑的穩(wěn)定性差，實(shí)際使用效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到鉑或鉑基催化劑的性能。因此，使用鉑基催化劑，但明顯降低催化劑中鉑的負(fù)載量，是這類新型電化學(xué)電池大規(guī)模實(shí)用化的行之有效的方法。

本發(fā)明的主要思想是：首先制備出對(duì)ORR具有良好電活性的非貴金屬催化劑，然后在此基礎(chǔ)上通過(guò)簡(jiǎn)單的溶液浸漬法，在其上面沉積少量鉑納米顆粒，最后通過(guò)石墨烯包覆處理、熱處理，將鉑納料顆粒穩(wěn)定化并形成大量的活性位點(diǎn)，從而形成高度穩(wěn)定的、低鉑載量的、高活性的ORR催化劑。這了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將尿素作為造孔劑，在空心碳球上產(chǎn)生大量的微孔，從而有利于鉑納米顆粒的沉積，并與鈷，以及氮等形成大量活性位點(diǎn)；由于鈷負(fù)載的多孔氮摻雜空心碳球本身就具有良好的ORR活性，所以即使少量的鉑納米顆粒存在，也使最終的催化劑具有與商品鉑碳幾乎相同的電催化活性。這種新型的電催化劑在燃料電池以及金屬-空氣電池等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種低鉑載量氮摻雜多孔空心碳球復(fù)合物，本發(fā)明的目的還提供了一種低鉑載量氮摻雜多孔空心碳球復(fù)合物的制備與應(yīng)用。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實(shí)施方案為：一種低鉑載量氮摻雜多孔空心碳球復(fù)合物的制備方法，包括以下步驟：

（1）采用通行技術(shù)，制備粒徑在200nm左右的二氧化硅球；

（2）將上述二氧化硅球在超聲作用下分散于乙醇中，再加入鈷鹽和尿素，繼續(xù)超聲一定時(shí)間后在不斷攪拌下再加入濃度為30mmol·L^-1的三羥甲基氨基甲烷緩沖溶液，形成均勻分散液；最后往該分散液中通入氮?dú)猓⒓尤霛舛葹?5mmol·L^-1的多巴胺溶液，繼續(xù)通氮?dú)庖欢〞r(shí)間后，停止通入氮?dú)猓诔叵聰嚢璩浞郑缓箅x心，所得固體用水洗后，在40^oC真空干燥，得到固體粉末，記為前驅(qū)體-1；

（3）將上述前驅(qū)體-1轉(zhuǎn)移至管式爐中的船形坩堝內(nèi)，在氮?dú)鈿夥罩幸?^oC·min^-1的升溫速度加熱到500-600^oC，在此溫度下保持一定時(shí)間；接著以同樣的升溫度加熱到850^oC，并在此溫度下保持一定時(shí)間；最后冷卻至室溫，所得固體顆粒浸泡于濃度為5mol·L^-1的KOH溶液中，在常溫下緩慢充分?jǐn)嚢韬螅x心分離，固體顆粒用水洗至中性后，在40^oC的真空干燥箱內(nèi)干燥，得到鈷負(fù)載的多孔氮摻雜空心碳球Co/porous-NHCS;