[發(fā)明專利]一種氧化鈷-絲瓜絡(luò)衍生氮摻雜碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210631632.2
• 申請(qǐng)日: 2022-06-06
• 公開（公告）號(hào): CN115000432B
• 公開（公告）日: 2023-09-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余林;陳梅潔;韓勝博;高梓寒;孫明;彭少敏;黃清霞;許盈盈;劉文秀;陳世鴻
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣東工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/90
• 分類號(hào): H01M4/90;H01M12/08
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 蘇晶晶

本發(fā)明公開了一種氧化鈷?絲瓜絡(luò)衍生氮摻雜碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于電催化劑材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的氧化鈷?絲瓜絡(luò)衍生氮摻雜碳復(fù)合材料的制備方法包括如下步驟：S1.清洗干燥絲瓜絡(luò)與氯化銨混合反應(yīng)得到絲瓜絡(luò)衍生氮摻雜碳材料NC；S2.將NC浸入鈷鹽與緩釋沉淀劑的混合溶液中，進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，得到碳載鈷前驅(qū)體納米材料；S3.將碳載鈷前驅(qū)體納米材料在惰性氣體保護(hù)下退火，得到氧化鈷?絲瓜絡(luò)衍生氮摻雜碳復(fù)合材料。本發(fā)明采用絲瓜絡(luò)衍生氮摻雜碳復(fù)合材料可高分散原位錨定鈷原子，通過控制NC、鈷鹽以及緩釋沉淀劑的加入量進(jìn)一步提升了催化性能，具備優(yōu)異的氧還原、氧析出雙功能催化能力，可廣泛應(yīng)用于制備氧還原和氧析出雙功能電催化劑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電催化劑材料技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種氧化鈷-絲瓜絡(luò)衍生氮摻雜碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

出于環(huán)境保護(hù)的需要，人們迫切需要開發(fā)安全環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)裝置。可充放電的鋅空氣電池由于具有較高的理論能量密度(1860Wh?kg^-1)、環(huán)境友好、安全性高、地殼鋅儲(chǔ)量豐富等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。目前，可充放電的鋅空氣電池存在著能量轉(zhuǎn)換效率低、充放電循環(huán)性能差的弊端，很大程度上阻礙了其廣泛的商業(yè)化應(yīng)用，這主要受限于空氣陰極緩慢的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，包括放電過程中的氧還原反應(yīng)(ORR)和充電過程中的氧析出反應(yīng)(OER)。因此，開發(fā)高效、耐用的ORR和OER雙功能催化劑至關(guān)重要。迄今為止，商業(yè)鉑碳和釕、銥等貴金屬及其合金催化劑被視為是具有最優(yōu)異ORR或OER催化性能的電催化劑，但是其存在成本極高、雙功能催化效果不理想、穩(wěn)定性差等嚴(yán)重問題，使其無法廣泛應(yīng)用。

近年來，鈷基材料(尤其是氧化鈷CoO)由于具備獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)、易于調(diào)控的多變價(jià)態(tài)、豐富的地殼儲(chǔ)量而備受關(guān)注。然而，由于鈷氧化物本征電導(dǎo)率不足、制備時(shí)容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使其在作為ORR或OER電催化劑時(shí)，顯示出較低的催化活性和較差的穩(wěn)定性。

現(xiàn)有技術(shù)公開了利用絲瓜絡(luò)遺態(tài)支撐氮摻雜碳納米管包覆鐵納米顆粒類芬頓催化劑的制備方法和應(yīng)用，通過對(duì)絲瓜絡(luò)進(jìn)行堿化處理，將鐵離子沉淀到絲瓜絡(luò)表面，進(jìn)行氮摻雜碳再高溫?zé)峤獾玫揭越z瓜絡(luò)為載體負(fù)載金屬化合物的催化劑，提高了催化劑的催化活性。但現(xiàn)有技術(shù)首先需要提前對(duì)絲瓜絡(luò)進(jìn)行堿化處理，堿化處理操作繁瑣，且堿化處理容易破壞絲瓜絡(luò)本身的結(jié)構(gòu)，不利于金屬離子在載體表面的均勻生長(zhǎng)，也無法達(dá)到較好的催化性能的提升。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的鈷基材料催化劑的導(dǎo)電性能差，容易出現(xiàn)團(tuán)聚，從而導(dǎo)致作為ORR或OER電催化劑時(shí)，顯示出較低的催化活性和較差的穩(wěn)定性的缺陷和不足，提供一種氧化鈷-絲瓜絡(luò)衍生氮摻雜碳復(fù)合材料的制備方法，以絲瓜絡(luò)衍生氮摻雜碳材料NC作為載體原位錨定鈷離子，改善鈷氧化物的團(tuán)聚情況、使鈷離子在載體表面均勻生長(zhǎng)，增加暴露的活性位點(diǎn)數(shù)量、提高催化劑的電荷傳輸能力，從而同時(shí)提高ORR和OER電催化劑雙功能催化活性。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種氧化鈷-絲瓜絡(luò)衍生氮摻雜碳復(fù)合材料。

本發(fā)明的再一目的在于提供一種氧化鈷-絲瓜絡(luò)衍生氮摻雜碳復(fù)合材料在制備氧還原和氧析出雙功能電催化劑中的應(yīng)用。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種氧化鈷-絲瓜絡(luò)衍生氮摻雜碳復(fù)合材料的制備方法，包括以下操作步驟：

S1.清洗干燥絲瓜絡(luò)，與氯化銨混合，在惰性氣體保護(hù)下在800～1000℃的溫度下進(jìn)行碳化反應(yīng)，得到絲瓜絡(luò)衍生氮摻雜碳材料NC；

S2.將S1制備得到的NC浸入鈷鹽與緩釋沉淀劑的混合溶液中，進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，得到碳載鈷前驅(qū)體納米材料；

S3.將S2得到的碳載鈷前驅(qū)體納米材料在惰性氣體保護(hù)下退火，得到氧化鈷-絲瓜絡(luò)衍生氮摻雜碳復(fù)合材料；