[發明專利]一種高電催化性能超細氧化鈷顆粒/鈷-氮-碳薄層/碳復合材料及制備方法

有效

• 申請號: 202110349198.4
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113113613B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 郭興梅;萬小晗;張俊豪;段夢婷;史靜
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 徐澍

本發明公開了一種高分散超細氧化鈷顆粒/鈷?氮?碳薄層/碳復合材料及制備方法。所述復合材料，由氧化鈷納米顆粒、鈷?氮?碳薄層及介孔碳基體構成，其中氧化鈷納米顆粒均勻分散于鈷?氮?碳薄層并負載在介孔碳基體上。氧化鈷納米顆粒的直徑為2～5nm，占復合材料的質量百分比為2～10％；鈷?氮?碳薄層的厚度小于2nm，占復合材料的質量百分比為10～20％。本發明利用二氰二胺對鈷離子的配位分散以及介孔碳基體的限域作用，制備獲得高度分散且尺寸細小的氧化鈷納米顆粒以及鈷?氮?碳薄層，負載在介孔碳基體中，作為金屬?空氣電池的正極電催化劑，活性接近商業鉑碳，穩定性高于商業鉑碳。

技術領域

本發明屬于電催化材料技術領域，具體涉及一種高分散超細氧化鈷顆粒/鈷-氮-碳薄層/碳復合材料及制備方法。

背景技術

金屬-空氣電池作為重要的能量存儲與轉化裝置，具有能量密度高、安全性能好、不污染環境等優點。然而其正極的氧氣還原反應由于反應動力學緩慢，需要高效穩定的電催化劑。商業Pt/C雖然具有優異的催化活性，卻受到價格高、穩定性低的限制，不能大規模應用。因此，研發價廉、高效、穩定的非貴金屬氧氣還原電催化劑，對金屬-空氣電池的發展具有重要意義。

鈷氧化物和鈷-氮-碳由于具有優異的電催化活性，受到越來越多的關注。但是鈷氧化物導電性差，鈷-氮-碳的活性位點密度不高，均需要負載在導電基體上以確保高效的電子傳輸，同時增加與電解液的有效接觸面積，提高活性成分利用率。然而，在催化過程中，氧化物和鈷-氮-碳很容易從基體脫落或者發生團聚，降低活性和穩定性。因此，將鈷氧化物以細小晶粒的形式牢固、均勻分散，將鈷-氮-碳以納米薄層的形式穩定負載，是鈷氧化物、鈷-氮-碳作為電催化劑的研究重點和難點。目前所報道的鈷氧化物納米顆粒的尺寸一般在20～100nm范圍內，甚至超過100nm，很難做到5nm以下；另外，目前所報道的鈷-氮-碳較難做到以完整的薄層形式在碳基體上負載。

發明內容

本發明的目的是為了克服上述現有技術存在的問題和不足，針對本領域的研究難點，提供一種高分散超細氧化鈷顆粒/鈷-氮-碳薄層/碳復合材料及制備方法。

為達到上述目的，本發明采取的技術方案如下：

一種高分散超細氧化鈷顆粒/鈷-氮-碳薄層/碳復合材料，由氧化鈷納米顆粒、鈷-氮-碳薄層及介孔碳基體構成。所述氧化鈷納米顆粒均勻分散于鈷-氮-碳薄層并負載在介孔碳基體上。所述氧化鈷納米顆粒的直徑為2～5nm，占所述復合材料的質量百分比為2～10％，所述鈷-氮-碳薄層的厚度小于2nm，占所述復合材料的質量百分比為10～20％。

為達到上述目的，本發明采取的另一技術方案如下：

一種高分散超細氧化鈷顆粒/鈷-氮-碳薄層/碳復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)介孔碳基體的功能化

將介孔碳基體浸泡在強酸溶液并置于反應釜，在100～200℃下保溫2～6h，使碳表面氧化形成大量含氧基團，隨后自然冷卻，用水或乙醇離心清洗，獲得功能化的介孔碳基體。

(2)鈷離子和二氰二氨在介孔碳上的分散共吸附

將功能化的介孔碳基體浸入鈷鹽和二氰二胺(DCDA)的混合溶液中，其中鈷鹽和DCDA的摩爾比為1:10～1:50；攪拌0.5～2h，使Co²⁺和DCDA共同吸附在介孔碳基體上；在共吸附過程中，Co²⁺在DCDA分子的配位作用下，保持高度分散；最后用水或乙醇離心清洗，在30～80℃干燥備用。

(3)煅燒獲得高分散超細氧化鈷顆粒/鈷-氮-碳薄層/碳復合材料