[發(fā)明專利]一種鋅空氣電池用二硫化鈷/氮硫共摻雜介孔碳復(fù)合催化劑及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110742905.6
• 申請(qǐng)日: 2021-07-01
• 公開（公告）號(hào): CN113471455B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王溦;李麗芩;官鳴宇;侯朝輝;陳梁
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖南理工學(xué)院
• 主分類號(hào): C07C1/04
• 分類號(hào): C07C1/04
• 代理公司: 浙江新篇律師事務(wù)所 33371
• 代理人: 張冬堯

本發(fā)明涉及鋅空氣電池陰極材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鋅空氣電池用二硫化鈷/氮硫共摻雜介孔碳復(fù)合催化劑及其制備方法，該催化劑以氮硫共摻雜介孔碳作為基體，內(nèi)部原位負(fù)載納米級(jí)二硫化鈷顆粒。該催化劑材料（CoS2/NSC?MC）是以乙酸鈷、2?甲基咪唑和β?環(huán)糊精為原料，配制其乙醇或水溶液，并加入瀝青和SBA?15，進(jìn)行研磨，干燥，高溫鍛燒，采用NaOH溶液去除模板后與升華硫混合均勻，高溫?zé)崽幚淼玫酱呋瘎┎牧稀１景l(fā)明制備過程簡單，材料結(jié)構(gòu)獨(dú)特，制備得到的催化劑能夠用于鋅空氣電池陰極，實(shí)現(xiàn)氧電極反應(yīng)的高效催化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋅空氣電池陰極材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鋅空氣電池用二硫化鈷/氮硫共摻雜介孔碳復(fù)合催化劑及其制備方法，旨在通過表面活性劑分散金屬顆粒，將瀝青碳化形成無定型碳，得到一種能夠同時(shí)提高ORR和OER的催化活性的方法。

背景技術(shù)

鋅空氣電池（ZAB）由其較高的理論能量密度（1086 Wh kg-1）、低價(jià)格和高安全性而被認(rèn)為是電化學(xué)能源技術(shù)的最佳選擇。然而，由于空氣電極反應(yīng)遲緩和耐久性低引起的低能效和低穩(wěn)定性阻礙了可再充電鋅空氣電池的應(yīng)用。目前，貴金屬材料是 ORR/OER 最有效的催化劑，但貴金屬高昂的成本、較差的雙功能活性及穩(wěn)定性極大地限制了其發(fā)展。此外，單組分催化劑不能同時(shí)有效地催化氧還原（ORR）和析氧反應(yīng)（OER），高成本和短循環(huán)壽命也限制了它們?cè)诳沙潆婁\空氣電池上的應(yīng)用。因此，低成本和高效的雙功能催化劑的開發(fā)迫在眉睫。

研究表明，硫化鈷的的表面電子結(jié)構(gòu)和電荷分布較優(yōu)，具有暴露的活性位點(diǎn)。但相比貴金屬材料，硫化鈷的催化活性依舊有所不足，仍具有導(dǎo)電率低、分布差和納米顆粒附聚的缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高它們的催化活性，將硫化鈷引入雜原子摻雜的碳材料中以形成復(fù)合材料，介孔碳結(jié)構(gòu)可以增加表面積，從而提供更多的活性位點(diǎn)，且有利于傳質(zhì)過程的進(jìn)行。雜原子的存在將改變碳框架的電子結(jié)構(gòu)，形成更多的缺陷。同時(shí)，表面活性劑的加入可以改善硫化鈷的分布，減少顆粒附聚。

授權(quán)公告號(hào)為：CN 109704301 B名稱為一種鈷硫共摻雜介孔碳的制備方法及其應(yīng)用，公開了一種催化劑的制備方法，但是該催化劑主要用于芳香類物質(zhì)的制備。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供了一種新的技術(shù)方案考慮合成CoS2/NSC-MC材料，提高了鋅空電池空氣電極的活性，從而提高鋅空電池的電化學(xué)性能，尤其涉及一種鋅空氣電池用二硫化鈷/氮硫共摻雜介孔碳復(fù)合催化劑及其制備方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種鋅空氣電池用二硫化鈷/氮硫共摻雜介孔碳復(fù)合催化劑及其制備方法，本發(fā)明制得的催化劑在電催化方面有良好的應(yīng)用前景，與貴金屬催化劑相比原料成本低且來源豐富，制備過程簡單，有利于規(guī)模化生產(chǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下具體方案來實(shí)現(xiàn)：一種鋅空氣電池用二硫化鈷/氮硫共摻雜介孔碳復(fù)合催化劑，該催化劑以氮硫共摻雜介孔碳作為基體，內(nèi)部原位負(fù)載納米級(jí)二硫化鈷顆粒。具體是以乙酸鈷和瀝青為原料，在2-甲基咪唑配體的輔助下配位錨定鈷離子，并以β-環(huán)糊精為分散劑，將鈷分散在SBA-15模板的孔道中，煅燒處理后伴隨瀝青碳化，鈷基物質(zhì)發(fā)生分解，經(jīng)過去除模板后得到內(nèi)部固定有Co3O4納米顆粒的前驅(qū)體，繼而以升華硫?yàn)榱蛟磳o3O4硫化，維持復(fù)合材料的金屬內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)，獲得以氮硫共摻雜介孔碳作為基體，內(nèi)部原位負(fù)載納米級(jí)二硫化鈷顆粒的二硫化鈷/氮硫共摻雜介孔碳復(fù)合催化劑材料CoS2/NSC-MC。其中：所述瀝青和乙酸鈷的質(zhì)量比為1:1.2；瀝青和SBA-15模板的體積比為1:0.5 ~ 1:1；乙酸鈷與所述β-環(huán)糊精的摩爾比為50:1 ~ 400:1。

本發(fā)明還提供了一種鋅空氣電池用二硫化鈷/氮硫共摻雜介孔碳復(fù)合催化劑的制備方法，方法包括以下步驟：

步驟1：以定量摩爾比分別稱取乙酸鈷、2-甲基咪唑和β-環(huán)糊精，三者用乙醇或水溶解形成溶液，將三種溶液混合攪拌0.5 h，使乙酸鈷與2-甲基咪唑充分配位，β-環(huán)糊精形成膠束。