[發(fā)明專利]電催化材料及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210362812.5
• 申請(qǐng)日: 2022-04-08
• 公開（公告）號(hào): CN114678545A
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 方靜;王小涵;王夢然;周言根;李思敏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/88
• 分類號(hào): H01M4/88;H01M4/90;H01M4/96;H01M12/08
• 代理公司: 北京天盾知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11421
• 代理人: 肖小龍

本發(fā)明屬于催化材料技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種電催化材料及其制備方法和應(yīng)用。所述電催化材料由摻氮碳基底和合金納米晶組成，所述摻氮碳基底為珊瑚狀結(jié)構(gòu)，所述合金納米晶與摻氮碳基底復(fù)合、并均勻分散于摻氮碳基底。本發(fā)明的電催化材料具有珊瑚狀結(jié)構(gòu)形貌，該珊瑚狀結(jié)構(gòu)中，高蓬松的摻氮碳結(jié)構(gòu)作為基底具有大比表面積，促進(jìn)電子傳輸，合金納米晶均勻分散在摻氮碳基底上，其合金內(nèi)不同金屬間協(xié)同效應(yīng)提升材料的活性，大幅度提升了復(fù)合電催化材料表面的氧吸附能力和氧吸附容量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于催化材料技術(shù)領(lǐng)域，更具體的，涉及一種電催化材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

綠色無污染、環(huán)保可再生、高比能、長效穩(wěn)定的能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換裝置是解決當(dāng)前能源緊缺、環(huán)境危機(jī)，實(shí)現(xiàn)碳中和的重要途徑，鋅-空氣電池具有高能量轉(zhuǎn)換率、高能量密度、安全、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是非常有前景的新能源技術(shù)。然而，其大規(guī)模的商業(yè)化使用仍受到自身析氧反應(yīng)（oxygen evolution Reaction，OER）和氧還原反應(yīng)（oxygen reductionreaction，ORR）緩慢的動(dòng)力學(xué)速度的限制。

傳統(tǒng)的貴金屬催化材料如鉑（Pt）、銥（Ir）和釕(Ru)基催化材料因其具有優(yōu)異的催化性能被分別當(dāng)做ORR和OER反應(yīng)的基準(zhǔn)材料。然而鉑基電催化劑具有ORR活性，但 OER 活性由于在高電位下形成氧化物層而受到限制；基于Ir或Ru的電催化劑是有效的OER催化劑，但對(duì)ORR的活性不如Pt；而且因其價(jià)格昂貴、資源稀缺、穩(wěn)定性較差等原因，限制了它們的大規(guī)模使用。

因此，開發(fā)具有過電位低、穩(wěn)定性持久、成本低廉的碳基雙功能電催化劑對(duì)于水系金屬-空氣電池的發(fā)展具有不可替代的意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種電催化材料，該電催化材料具有優(yōu)異的ORR和OER雙功能催化效果。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種電催化材料的制備方法。

本發(fā)明的目的之三在于提供一種電催化材料的應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，具體技術(shù)方案如下：

一種電催化材料，所述電催化材料由摻氮碳基底和合金納米晶組成，所述摻氮碳基底為珊瑚狀結(jié)構(gòu)，所述合金納米晶與摻氮碳基底復(fù)合、并均勻分散于摻氮碳基底。

進(jìn)一步地，電催化材料中，摻氮碳基底為蓬松的珊瑚狀結(jié)構(gòu)，合金納米晶均勻分散在摻氮碳基底的內(nèi)部及表面，形成為合金納米晶被摻氮碳包裹的核殼結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述的合金納米晶的粒徑尺寸為5~15nm；所述的合金包括鐵、鈷、鎳、錳、銅、鋅、錫、銦和鉻中的至少兩種。

進(jìn)一步地，電催化材料中，碳基底的含量為20~60wt.%；氮含量為2~15wt.%。

一種電催化材料的制備方法，包括以下步驟：

（1）將金屬源、碳源和氮源分散于混合溶劑中進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，得前驅(qū)體材料；

（2）將步驟（1）所得前驅(qū)體材料進(jìn)行熱裂解反應(yīng)，得電催化材料。

本發(fā)明的制備方法在水熱處理的過程中，碳源與氮源發(fā)生絡(luò)合，形成氮摻雜有機(jī)結(jié)構(gòu)碳基底，在后續(xù)的熱處理，金屬鹽原位發(fā)生還原，碳發(fā)生石墨化，形成摻氮碳層復(fù)合、包裹有合金納米晶的結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，步驟（1）中：

所述的金屬源包括能提供鐵、鈷、鎳、錳、銅、鋅、錫、銦和鉻的金屬前驅(qū)體，優(yōu)選為鐵、鈷、鎳、錳、銅、鋅、錫、銦和鉻的檸檬酸鹽、硫酸鹽、氯化鹽、甲酸鹽、乙酸鹽、硝酸鹽中的至少兩種；

所述的碳源為含碳有機(jī)物，優(yōu)選為氮川三乙酸、單寧酸、油酸、氨基酸多巴胺及纖維素中的至少一種；

所述的氮源為含氮有機(jī)物，優(yōu)選為三聚氰胺、尿素、水合肼、咪唑及其衍生物、氨基酸及乙二胺中的至少一種；