[發明專利]一種鐵鈷合金納米晶/摻氮碳管復合材料及其制法與應用

在審

• 申請號: 202110337096.0
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113097498A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 卞婷;何澤楊;黃龍;王浩權;于濤;左林致;蘇珊
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/90;H01M12/08;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 金詩琦

本發明公開了一種具有良好電催化性能的鐵鈷合金納米晶/摻氮碳管復合材料，包括以下質量百分數的物質：85～90wt％摻氮碳管，10～15wt％鐵鈷合金納米晶。本發明還公開了一種鐵鈷合金納米晶/摻氮碳管復合材料的制備方法。本發明也公開了鐵鈷合金納米晶/摻氮碳管復合材料作為電催化劑在可充電式鋅空氣電池氧還原反應和析氧反應中的應用。本發明所制得鐵鈷合金納米晶/摻氮碳管復合材料具有良好的氧還原和析氧反應電催化性能，與商業RuO₂催化劑性能相當，能夠在可充電式鋅空氣電池氧還原反應和析氧反應中應用；制備方法簡單可控，絡合劑對Fe、Co離子絡合能力強，能將它們均勻絡合在摻氮碳管前驅體的表面，有效附著率高。

技術領域

本發明涉及復合材料及其制法與應用，具體為一種鐵鈷合金納米晶/摻氮碳管復合材料及其制法與應用。

背景技術

可充電式鋅空氣電池具有價格低廉、環境友好和能量密度高(1084Whkg^-1)等優勢，在便攜式交通工具和能量儲存器件應用方面潛力巨大。但在電池充放電過程中，氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER)通常伴隨著較高的過電位，其緩慢的動力學過程嚴重制約了鋅空氣電池的能量轉化效率。

貴金屬基催化劑，如鉑/鉑基、釕/釕基及其合金，是目前催化ORR、OER反應最佳的選擇。但由于貴金屬元素在地殼中儲量稀少、價格高昂，限制了其大規模應用。非貴金屬基催化劑，例如Fe基、Co基和Ni基等都顯示了優異的性能和應用潛力，有望成為鉑族貴金屬催化劑的替代材料。

對于過渡金屬基材料而言，過渡金屬-氮-碳基催化劑是此類材料中最具有開發潛質的材料，如鐵-氮-碳基和鈷-氮-碳基。相比于單金屬氮碳材料，由于金屬元素之間的電子協同效應，可以進一步改善電催化性能。但是，目前對于CoFe催化劑的合成大多工藝復雜，成本較高，同時在熱解過程中很難抑制其金屬顆粒的遷移和團聚。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明的目的是提供一種具有良好電催化性能的鐵鈷合金納米晶/摻氮碳管復合材料，本發明的另一目的是提供一種工藝簡單、成本低廉、適宜規模化生產的鐵鈷合金納米晶/摻氮碳管復合材料的制備方法，本發明的再一目的是提供一種鐵鈷合金納米晶/摻氮碳管復合材料作為電催化劑在可充電式鋅空氣電池氧還原反應和析氧反應中的應用。

技術方案：本發明所述的一種鐵鈷合金納米晶/摻氮碳管復合材料，包括以下質量百分數的物質：85～90wt％摻氮碳管，10～15wt％鐵鈷合金納米晶。

進一步地，鐵鈷合金納米晶中，鐵的質量百分數為44～49wt％，鈷的質量百分數為51～56wt％。優選地，鐵鈷合金納米晶包括48.8wt％鐵，51.2wt％鈷，鐵、鈷的比例接近1:1，有利于提高OER的性能。

進一步地，以摻氮碳管為碳襯底和氮源，熱解后在摻氮碳管上均勻負載鐵鈷合金納米晶。

進一步地，摻氮碳管的比表面積為230～240m²/g，孔徑為90～100nm，厚度為6～10nm。優選地，摻氮碳管的比表面積為239.9m²/g，孔徑為100nm，厚度為10nm，擁有較高的比表面積，均勻豐富的活性位點。

上述鐵鈷合金納米晶/摻氮碳管復合材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一，將三聚氰胺、尿素按比例混合研磨，置于管式爐中，在保護氣氛下以2℃/min～5℃/min的速率升溫至500～550℃，保溫2～4h，得到摻氮碳管前驅體；

步驟二，將步驟一得到的摻氮碳管前驅體溶于水中，超聲分散均勻，再依次加入硝酸鐵、硝酸鈷和絡合劑，獲得絡合的鐵鈷雙金屬離子/摻氮碳管前驅體，金屬均勻分布；

步驟三，將步驟二得到的絡合的鐵鈷雙金屬離子/摻氮碳管前驅體在保護氣氛中，以2℃/min～5℃/min的升溫速率升溫至700℃～900℃，保溫2～4h，得到鐵鈷合金納米晶/摻氮碳管復合材料。