[發(fā)明專利]一種鈷鎳合金/碳納米纖維復(fù)合電催化劑及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010734183.5
• 申請(qǐng)日: 2020-07-27
• 公開（公告）號(hào): CN111841546B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李翠艷;高茹;歐陽(yáng)海波;許釗;黃劍鋒;孔新剛;張晨鴿
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 陜西科技大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J23/755
• 分類號(hào): B01J23/755;B01J35/00;B01J35/06;B01J37/00;B01J37/08;B01J37/34;H01M4/90
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 李紅霖

本發(fā)明公開了一種鈷鎳合金/碳納米纖維復(fù)合電催化劑及其制備方法和應(yīng)用，屬于納米復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。該制備方法采用合理的鈷源和鎳源，以及聚丙烯腈作為碳納米纖維的前驅(qū)體，通過靜電紡絲法得到原絲，然后將原絲經(jīng)熱處理、并利用硫脲的螯合作用使金屬離子的分散性增強(qiáng)，抑制鈷鎳納米顆粒的團(tuán)聚，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)鈷鎳合金納米顆粒在碳纖維上生長(zhǎng)狀態(tài)的調(diào)控，進(jìn)而得到鈷鎳合金/碳納米纖維復(fù)合電催化劑。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的工藝復(fù)雜、鈷鎳合金納米顆粒數(shù)量少、分布不均勻等缺陷，最終制得了材料化學(xué)組成均一、形貌尺寸均勻以及電催化活性好、穩(wěn)定性高的鈷鎳合金/碳納米纖維復(fù)合電催化劑，能夠應(yīng)用于氧還原反應(yīng)催化電極。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鈷鎳合金/碳納米纖維復(fù)合電催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

由于傳統(tǒng)能源的枯竭和環(huán)保意識(shí)的提升，人們迫切需要尋找一種廉價(jià)和可持續(xù)的能源以替代傳統(tǒng)的化石燃料。燃料電池因?yàn)槟芰棵芏雀摺h(huán)境友好和燃料來(lái)源豐富等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前景的新能源技術(shù)之一。在燃料電池中，陰極氧還原反應(yīng)(ORR)是決定電池性能的主要因素。但由于陰極反應(yīng)涉及多電子轉(zhuǎn)移，其動(dòng)力學(xué)極其緩慢，需使用催化劑來(lái)加快反應(yīng)進(jìn)程，鉑基材料被認(rèn)為具有很好的催化性能。然而，鉑基材料儲(chǔ)量少、成本高、易中毒限制了其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。為此，科研界發(fā)展研究了很多類型的非貴金屬催化劑來(lái)替代鉑基材料。具有適當(dāng)負(fù)載量的CoNi合金的雜化催化劑對(duì)ORR工藝均表現(xiàn)出良好的電催化活性和穩(wěn)定性，具有很好的應(yīng)用前景。但是其電催化性能與鉑基材料相比仍然需要進(jìn)一步提升。

為了提升復(fù)合材料的電催化性能，非金屬元素?fù)诫s是一種常見的改性方法，用于摻雜改性的非金屬原子有S、B、P、O、C等。申請(qǐng)?zhí)枮镃N 111111721 A的中國(guó)專利“一種硼摻雜碳?xì)ぐ麮oNi納米粒子復(fù)合材料的制備及應(yīng)用”中先得到鈷鎳雙金屬材料，再與H₃BO₃混合并在Ar氣氛中直接退火處理得硼摻雜碳?xì)ぐ麮oNi納米粒子復(fù)合材料。但是所制備的這種復(fù)合材料由于比表面積小，活性位點(diǎn)有待進(jìn)一步提高，應(yīng)用于電催化OER領(lǐng)域。申請(qǐng)?zhí)枮镃N105226296 A的中國(guó)專利“氮和磷共摻雜鈷基碳纖維多功能電化學(xué)催化劑及其制備方法”先將硝酸鈷、尿素和三苯基磷，加入到N,N-二甲基甲酰胺中，攪拌至溶解，再加入聚乙烯吡咯烷酮攪拌，溶解后得到靜電紡絲前驅(qū)液；再通過靜電紡絲及燒結(jié)，即得到氮和磷共摻雜鈷基碳纖維復(fù)合材料。但是所制備的碳纖維交聯(lián)比較嚴(yán)重，比表面積較小，對(duì)電催化性能的提升有一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種鈷鎳合金/碳納米纖維復(fù)合電催化劑及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明所述制備鈷鎳合金/碳納米纖維復(fù)合電催化劑的方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的工藝復(fù)雜、鈷鎳合金納米顆粒數(shù)量少、分布不均勻等缺陷。經(jīng)該制備方法成功制備的鈷鎳合金/碳納米纖維復(fù)合電催化劑具有化學(xué)組成均一、形貌尺寸均勻以及電催化活性好、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用于氧還原反應(yīng)催化電極。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明公開了一種鈷鎳合金/碳納米纖維復(fù)合電催化劑的制備方法，包括以下步驟：

1)將四水合乙酸鈷、四水合乙酸鎳、硫脲以及聚丙烯腈溶解于良溶劑中，得到前驅(qū)液；將前驅(qū)液進(jìn)行靜電紡絲，得到原絲；

2)對(duì)步驟1)得到的原絲進(jìn)行熱處理后冷卻，得到鈷鎳合金/碳納米纖維復(fù)合電催化劑。

優(yōu)選地，步驟1)中，四水合乙酸鈷、四水合乙酸鎳、硫脲、聚丙烯腈和良溶劑的反應(yīng)投料比為(1～2)mmol:(0.5～1)mmol:(0.25～1)mmol:(0.6～0.8)g:(8～10)mL。

優(yōu)選地，步驟1)中，靜電紡絲操作的電壓15～17kV，推進(jìn)速度1～3mm/h，滾筒轉(zhuǎn)速300～400r/min。

優(yōu)選地，步驟1)中，良溶劑為N,N-二甲基甲酰胺或二甲基亞砜。