[發(fā)明專利]一種過渡金屬合金碳復(fù)合材料、制備方法及其應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110744541.5
• 申請日: 2021-06-30
• 公開（公告）號: CN113437315B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊晴;馬曼曼;孫偉;馬林
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 李偉

本發(fā)明提供了一種過渡金屬合金碳復(fù)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(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用。本申請通過一步膠體化學(xué)合成法，在短時間和低反應(yīng)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(jié)構(gòu)的NiCo合金顆粒。本申請制備的過渡金屬合金碳復(fù)合材料在電催化析氧反應(yīng)、氧還原反應(yīng)和鋅?空氣電池領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。進(jìn)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(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及過渡金屬合金納米顆粒技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種過渡金屬合金碳復(fù)合材料、其制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)

大量化石燃料的燃燒和越來越嚴(yán)重的環(huán)境污染導(dǎo)致的能源短缺使得開發(fā)高效、節(jié)能環(huán)保的新能源技術(shù)迫在眉睫。在此情況下，在環(huán)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(chǎn)能方面的研究越來越多。然而這些產(chǎn)能裝置利用的最主要的半反應(yīng)是氧電極反應(yīng)(包括析氧反應(yīng)OER、氧還原反應(yīng)ORR)，其反應(yīng)動力學(xué)緩慢，極大降低了其能量轉(zhuǎn)換效率，反應(yīng)損耗相應(yīng)提高。雖然目前商業(yè)所用的鉑基催化劑和釕基催化劑分別對氧還原反應(yīng)和析氧反應(yīng)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(yīng)的應(yīng)用和發(fā)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(qiáng)度，而具有同時催化析氧反應(yīng)和氧還原反應(yīng)的雙功能催化潛力。另外，由于元素?fù)诫s可提高催化活性中心的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和進(jìn)行電子云的互相調(diào)控，人們往往采用金屬元素?fù)诫s的方法來提高多金屬合金粒子的催化活性和穩(wěn)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?zé)峤獾姆椒ǎ热缫越饘僭礊榇呋行膩硪龑?dǎo)碳納米管的合成，這種合成方法所需溫度較高，可達(dá)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(wěn)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(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種過渡金屬合金碳復(fù)合材料，其粒徑分布均一。本申請?zhí)峁┑倪^渡金屬合金碳復(fù)合材料，作為催化劑具有較高的穩(wěn)定性。

有鑒于此，本申請?zhí)峁┝艘环N過渡金屬合金碳復(fù)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(yōu)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(yōu)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(fù)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(yīng)，得到過渡金屬合金碳復(fù)合材料。

優(yōu)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(yōu)選的，所述鈷源和鎳源的摩爾比為(1～4):1。

優(yōu)選的，在得到過渡金屬合金碳復(fù)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(yīng)；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(zhì)量占比為0～20wt％。

優(yōu)選的，所述反應(yīng)的溫度為250～300℃，時間為0.5～1h。

優(yōu)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(fù)合材料或所述的制備方法所制備的過渡金屬合金碳復(fù)合材料在OER、ORR或金屬-空氣電池中的應(yīng)用。