[發明專利]一種鈷、氮共摻雜碳納米片材料及其制備與應用

在審

• 申請號: 202110771824.9
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN113629260A
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 裴素朋;孫月陽;熊霞;徐康偉;張維;韓志越
• 申請（專利權）人: 上海應用技術大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 李新新

本發明涉及一種鈷、氮共摻雜碳納米片材料及其制備與應用，制備方法具體包括以下步驟：(a)將單水乳糖、鋅源共同溶于水中，攪拌混合均勻得到混合溶液；(b)之后將混合溶液進行加熱蒸干，得到前驅體；(c)將步驟(b)得到的前驅體進行碳化，得到所述鈷、氮共摻雜碳納米片材料。應用為將鈷、氮共摻雜碳納米片材料作為ORR催化劑進行使用。與現有技術相比，本發明所用的有機碳源和發泡劑廉價易得，制備方法簡單，易于規模化生產，所制備的材料具有明顯的氧還原特征，相比于商業鉑碳催化劑，具有制備過程簡單、成本低、穩定性好等優點。

技術領域

本發明屬于電化學技術領域，具體涉及一種鈷、氮共摻雜碳納米片材料及其制備與應用。

背景技術

燃料電池是一種能夠將燃料的化學能直接轉化成電能的裝置。與一般的原電池、蓄電池不同，燃料電池的電極反應活性物質從電池外部供給，而非儲存于電池內部。理論上講，只要外部連續地供給燃料，燃料電池就可以連續不斷地發電。雖然燃料電池的工作方式更類似于內燃機，但由于其發電不經過燃燒過程，所以它不受卡諾循環的限制，具有較高的能量轉換效率(理論上80％)。由于其能量轉換效率高，具有比其他電池更高的能量密度和功率密度，且無需充電，發電過程中也不排放對環境有害的硫和氮的氧化物，所以燃料電池被認為是將來首選的發電技術。

燃料電池的電催化性能主要受陰極氧還原反應(Oxygen Reduction Reaction,ORR)緩慢的動力學影響，這就要求開發出一種具有高催化活性的ORR催化劑。一直以來，Pt基催化劑都被認為是最佳的電催化劑，但是地殼里Pt資源少，市場價格昂貴，成為Pt基催化劑在燃料電池商業化大規模應用的主要障礙(Sealy C.The problem with platinum[J].Materials Today,2008,11(12):65-68.)。與此同時，Pt基催化劑還面臨著長時間穩定性不夠、CO失活等其他問題(Winter M,Brodd R J.What Are Batteries,Fuel Cells,andSupercapacitors[J].Chemical Review,2004(104):4245-4270.以及Gong K P,Du F,XiaZ H,et al.Nitrogen-Doped Carbon Nanotube Arrays with High ElectrocatalyticActivity for Oxygen Reduction[J].Science,2009,323(5915):760-763.)。因此，研發出成本低、活性與Pt基催化劑相當或者更好的ORR催化劑來替代傳統燃料電池陰極的Pt基催化劑具有重要意義。

高表面積、孔隙分層、摻雜均勻、高活性位點密度和高導電活性是催化劑獲得良好ORR性能的關鍵因素。多孔納米碳被廣泛用作不同金屬的納米粒子的載體材料，具有大比表面積，表面易于修飾等優良催化劑載體的特性，也使其成為碳摻雜的基礎材料，從碳化物的各種衍生物中脫穎而出，而且多孔納米碳的孔徑容易調整，比表面積大，可以通過合成路徑修改。目前，一般采用氮原子對多孔納米碳進行修飾，當氮原子摻雜到多孔碳材料后，多孔碳材料的電荷密度增加，形成n型半導體，進而使多孔碳材料的導電性增加。也采用金屬Co對多孔納米碳進行修飾，Co原子在碳層附近存在與N和C原子的強相互作用，調節N摻雜C的結構，以增加O₂的吸附能，提高催化劑的催化活性。