[發明專利]一種過渡金屬合金碳復合材料、制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202110744541.5
• 申請日: 2021-06-30
• 公開（公告）號: CN113437315B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 楊晴;馬曼曼;孫偉;馬林
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 李偉

本發明提供了一種過渡金屬合金碳復合材料，由碳材料和分散于碳材料表面的合金顆粒組成，所述合金顆粒包括：Ni和包覆于Ni表面的NiCo納米合金顆粒。本申請還提供了過渡金屬合金碳復合材料的制備方法及其應用。本申請通過一步膠體化學合成法，在短時間和低反應溫度下合成粒徑分布均一，可摻雜其他過渡金屬元素的具有核殼結構的NiCo合金顆粒。本申請制備的過渡金屬合金碳復合材料在電催化析氧反應、氧還原反應和鋅?空氣電池領域具有廣泛的應用。進一步研究表明，該合成方法對其他常見過渡金屬合金(FeNi₃或MnNi)的合成同樣具有普適性。

技術領域

本發明涉及過渡金屬合金納米顆粒技術領域，尤其涉及一種過渡金屬合金碳復合材料、其制備方法及應用。

背景技術

大量化石燃料的燃燒和越來越嚴重的環境污染導致的能源短缺使得開發高效、節能環保的新能源技術迫在眉睫。在此情況下，在環境友好的可充電金屬-空氣電池、燃料電池和電催化水分裂產能方面的研究越來越多。然而這些產能裝置利用的最主要的半反應是氧電極反應(包括析氧反應OER、氧還原反應ORR)，其反應動力學緩慢，極大降低了其能量轉換效率，反應損耗相應提高。雖然目前商業所用的鉑基催化劑和釕基催化劑分別對氧還原反應和析氧反應有很好的催化作用，但其高成本和非雙功能性仍阻礙了氧電極反應的應用和發展。

過渡金屬基催化劑，由于過渡金屬元素本身具有能夠容納外來電子的3d空軌道，以此來降低OOH-/OH-中間體之間的鍵合強度，而具有同時催化析氧反應和氧還原反應的雙功能催化潛力。另外，由于元素摻雜可提高催化活性中心的結構穩定性和進行電子云的互相調控，人們往往采用金屬元素摻雜的方法來提高多金屬合金粒子的催化活性和穩定性。

目前，金屬合金顆粒的合成大多采用金屬源與碳源一起高溫熱解的方法，比如以金屬源為催化中心來引導碳納米管的合成，這種合成方法所需溫度較高，可達800℃，且合成出的合金納米顆粒尺寸不均一，與碳材料難以分離。因此，提供一種具有較好催化效果且性能穩定、顆粒尺寸均一的金屬合金顆粒的制備方法具有重要意義。

發明內容

本發明解決的技術問題在于提供一種過渡金屬合金碳復合材料，其粒徑分布均一。本申請提供的過渡金屬合金碳復合材料，作為催化劑具有較高的穩定性。

有鑒于此，本申請提供了一種過渡金屬合金碳復合材料，由碳材料和分散于碳材料表面的合金顆粒組成，所述合金顆粒包括：Ni和包覆于Ni表面的NiCo納米合金顆粒。

優選的，所述合金顆粒還包括：摻雜在所述納米合金顆粒中的過渡金屬元素。

優選的，所述碳材料選自碳納米管或氮摻雜石墨烯；所述摻雜的過渡金屬元素選自Mn或Fe；所述合金顆粒的平均直徑為25～50nm。

本申請還提供了所述的過渡金屬合金碳復合材料的制備方法，包括以下步驟：

將鈷源、鎳源與油胺混合，得到混合物；

將碳材料和上述混合物加熱、反應，得到過渡金屬合金碳復合材料。

優選的，所述鎳源選自乙酰丙酮鎳或乙酸鎳，所述鈷源選自乙酰丙酮鈷或乙酸鈷。

優選的，所述鈷源和鎳源的摩爾比為(1～4):1。

優選的，在得到過渡金屬合金碳復合材料的步驟中，還可將摻雜的過渡金屬源和上述混合物加熱、反應；所述摻雜的過渡金屬源選自錳粉或鐵粉，所述摻雜的過渡金屬源質量占比為0～20wt％。

優選的，所述反應的溫度為250～300℃，時間為0.5～1h。

優選的，所述碳材料為碳納米管或氮摻雜石墨烯，所述碳材料選自碳納米管時，所述碳納米管的直徑為40～100nm。

本申請還提供了所述的過渡金屬合金碳復合材料或所述的制備方法所制備的過渡金屬合金碳復合材料在OER、ORR或金屬-空氣電池中的應用。