[發明專利]一種2D-Co@NC復合材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110504044.8
• 申請日: 2021-05-10
• 公開（公告）號: CN113437305A
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 劉喬;石青;楊為佑
• 申請（專利權）人: 寧波工程學院
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/90;H01M4/88;B82Y30/00
• 代理公司: 寧波市鄞州盛飛專利代理事務所(特殊普通合伙) 33243
• 代理人: 洪珊珊;王玲華

本發明屬于電催化技術領域，涉及一種2D?Co@NC復合材料及其制備方法和應用。本發明通過以水作溶劑合成2D?ZIF前驅體，隨后高溫碳化后得到厚度為1?10nm的氮摻雜碳納米片上分布著2?6nm金屬Co納米顆粒的2D?Co@NC復合材料，本發明制備的2D?Co@NC復合材料比表面積大，且呈現分級的介孔結構，氮含量高，金屬顆粒尺寸小且分布均勻。

技術領域

本發明屬于電催化技術領域，涉及一種2D-Co@NC復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

能源和環境問題已經成為二十一世紀最重要的問題，可持續能源轉換和儲存技術的應用有望緩解能源和環境日益加劇，如燃料電池、金屬-空氣電池和水分解技術。氧還原反應(ORR)、氧析出反應(OER)和氫析出反應(HER)作為三個重要的催化反應過程，在能源存儲以及轉換裝置中對其效率和循環使用壽命取著決定性的作用。然而，基于催化過程發生在多相界面，且經過多步電子轉移過程，三個催化反應動力學十分緩慢。Pt基催化劑作為高效的ORR和HER催化劑，Ru-/Ir-基催化劑作為高效的OER催化劑。然而，成本高、資源稀缺以及穩定性差的缺點限制貴金屬催化劑在能源存儲和轉換領域的廣泛應用。且貴金屬催化劑的雙功能性很差，不能同時高效的催化兩個或三個催化反應，例如，可充電的金屬-空氣電池在充電過程催化劑發生OER反應，在放電過程發生ORR反應。全水解需要在陰極和陽極分別發生HER和OER反應。因此，研發低成本、高效率以及穩定性的三功能催化劑對可充電金屬-空氣電池以及全水解具有重要意義。

近年來，金屬有機框架作為一種新型的碳復合材料引起了廣泛的關注。沸石咪唑框架作為MOF材料的一類，其具有豐富C源和N源，且孔結構可調節性強，ZIFs衍生的碳基電催化劑受到廣泛的關注。ZIFs可以作為前驅體提供碳源和氮源，也可以作為催化劑合成的模板。例如，由ZIF-8為前驅體制備的N摻雜碳催化劑，由ZIF-8為前驅制備的Zn-N-C單原子催化劑，由ZIF-67為前驅體制備的Co/Co-N-C催化劑，由Zn/Co-ZIF制備的Co負載的氮摻雜碳催化劑，以及Zn/Co-ZIF為前驅體制備的Co-N-C單原子催化劑。上述催化劑均是高效的ORR催化劑。基于ORR、OER以及HER催化反應的活性位點不相同，在制備多功能催化劑時需要復雜的合成步驟來實現物相轉換，從而制備出具有多功能催化劑的活性物種。例如，用ZIF-8@ZIF-67的核殼結構合成ORR/OER雙功能催化性能的催化劑，基于ZIF-8產生的N摻雜碳微孔結構的內核，ZIF-67產生Co修飾的N摻雜的介孔石墨碳外殼。采用聚苯胺和ZIF-67復合后熱解制備Co納米顆粒、Co₃O₄以及N摻雜碳的多功能催化劑。采用一次碳化后二次磷化過程制備Co/CoP的多功能催化劑。然而，上述MOF直接制備或是做模板制備的催化劑存在以下缺點，1)在合成過程中采用了對環境有害的有機溶劑，例如甲醇和DMF；2)ZIFs納米顆粒的比表面積比較低，不能充分暴露催化劑的活性位點；3)簡單的合成方法只能得到單一功能的催化劑，要合成雙功能或是多功能的催化劑需要復雜的制備方法。

中國專利申請文件(公開號：107159297A)公開了一種雙功能氧催化劑鈷/四氧化三鈷/氮碳復合材料及其制備方法，其制備的復合材料表現出優異的雙功能氧電極催化活性，在堿性溶液中核-殼結構的Co@Co₃O₄納米顆粒包封在石墨化的N摻雜多孔碳中表現出良好的穩定性，但是其采用有機溶劑甲醇合成前驅體，制備方法復雜，且需要經過一次碳化后二次氧化的制備過程。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術存在的上述問題，提出了一種簡單、環保、呈現出良好的催化活性和穩定性的2D-Co@NC復合材料。

本發明的目的可通過下列技術方案來實現：

一種2D-Co@NC復合材料，所述的復合材料為納米片層結構，片層的氮摻雜碳材料上分布有金屬Co納米顆粒。

在上述的一種2D-Co@NC復合材料中，所述納米片層厚度為1-10nm，金屬Co納米顆粒的粒徑為2-6nm。