[發(fā)明專利]一種五元高熵尖晶石/多壁碳納米管復(fù)合材料及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210950230.9
• 申請(qǐng)日: 2022-08-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115295807A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊帆;杜云珠;李靜;胡僑丹;章俊良
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 西安正華恒遠(yuǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61271
• 代理人: 陳選中

本發(fā)明公開(kāi)了一種五元高熵尖晶石/多壁碳納米管復(fù)合材料及其制備方法，該制備方法包括以下步驟：S1：將金屬鹽、多壁碳納米管、氟化銨、十六烷基三甲基溴化銨和尿素加入水中進(jìn)行超聲混合，得A溶液；金屬鹽包括鉻鹽、錳鹽、鎳鹽、鐵鹽和鈷鹽；S2：將A溶液于130～150℃反應(yīng)6～8h，再經(jīng)過(guò)濾、洗滌、干燥后，得產(chǎn)物B；S3：將產(chǎn)物B研磨成粉末，再于惰性氣體中升溫至850～950℃，并保溫?zé)崽幚?h，其后冷卻，即得。本發(fā)明制備的復(fù)合材料由于過(guò)渡金屬之間的相互作用，能夠調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)內(nèi)在催化活性，本發(fā)明通過(guò)復(fù)合多壁碳納米管，不僅有利于活性位點(diǎn)的暴露，同時(shí)增強(qiáng)了電導(dǎo)率，提高了OER催化活性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種五元高熵尖晶石/多壁碳納米管復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，能源危機(jī)已引起全球的關(guān)注，人們急需開(kāi)發(fā)綠色新型能源。氧氣析出反應(yīng)(Oxygen Evolution Reaction，OER)是金屬空氣電池等可再生能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存技術(shù)中最重要的反應(yīng)之一，但是其緩慢的動(dòng)力學(xué)阻礙了其工業(yè)化發(fā)展，需要合適的催化劑提高OER反應(yīng)速率。目前，RuO₂和IrO₂是公認(rèn)活性最高的OER催化劑，但是因價(jià)格昂貴、儲(chǔ)量低以及穩(wěn)定性差等因素，不利于大規(guī)模應(yīng)用。

針對(duì)以上問(wèn)題，研究者們進(jìn)行了大量改進(jìn)OER催化劑、開(kāi)發(fā)新型高效低廉催化劑的工作。其中，具有多種(五種或以上)金屬陽(yáng)離子的高熵氧化物，由于其高晶格畸變導(dǎo)致了高氧遷移率，被認(rèn)為在電催化方面具有巨大的潛力。

高熵氧化物的合成方法包括噴霧熱解法、固態(tài)反應(yīng)法和濺射沉積法等等，這些方法所需的反應(yīng)設(shè)備以及工藝條件較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種五元高熵尖晶石/多壁碳納米管復(fù)合材料及其制備方法，以解決現(xiàn)有OER催化劑價(jià)格昂貴、儲(chǔ)量低、穩(wěn)定性差及其制備工藝復(fù)雜等問(wèn)題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：提供一種五元高熵尖晶石/多壁碳納米管復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

S1：將金屬鹽、多壁碳納米管、氟化銨、十六烷基三甲基溴化銨和尿素加入水中進(jìn)行超聲混合，得A溶液；所述金屬鹽包括鉻鹽、錳鹽、鎳鹽、鐵鹽和鈷鹽；

S2：將A溶液于130～150℃反應(yīng)6～8h，再經(jīng)過(guò)濾、洗滌、干燥后，得產(chǎn)物B；

S3：將產(chǎn)物B研磨成粉末，再于惰性氣體中升溫至850～950℃，并保溫?zé)崽幚?h，其后冷卻，即得。

Cr、Mn、Ni、Fe和Co過(guò)渡金屬元素，由于活性較高、地殼中含量大以及在堿性條件下具有突出的穩(wěn)定性，可作為OER催化劑。多種過(guò)渡金屬元素互相作用，能夠調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)內(nèi)在催化活性。此外，將高熵氧化物復(fù)合多壁碳納米管，不僅可以改善氧化物的電導(dǎo)率，同時(shí)有利于活性位點(diǎn)的暴露，加速OER反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，提高OER反應(yīng)速率。

本發(fā)明采用一步水熱法制備五元高熵尖晶石/多壁碳納米管復(fù)合材料，利用尿素作為水解劑，十六烷基三甲基溴化銨作為分散劑，復(fù)合多壁碳納米管，在聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓釜中高壓高溫反應(yīng)時(shí)，形成沉淀物，對(duì)沉淀物進(jìn)行熱處理得到復(fù)合材料。本發(fā)明制備的氧化物粒徑較小，且分布均勻，并使用較為便宜的原料，適合廣泛推廣。通過(guò)水熱法合成五元高熵尖晶石/多壁碳納米管復(fù)合材料，簡(jiǎn)化了工藝以及設(shè)備。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

進(jìn)一步，金屬鹽中鉻鹽、錳鹽、鎳鹽、鐵鹽和鈷鹽的摩爾量相同。

進(jìn)一步，金屬鹽、氟化銨和尿素的摩爾濃度分別為0.02～0.03mol/L、0.075～0.085mol/L、0.18～0.22mol/L，多壁碳納米管和十六烷基三甲基溴化銨的質(zhì)量濃度分別為2.5～3.5g/L、8～10g/L。

進(jìn)一步，金屬鹽為金屬氯化鹽或金屬硝酸鹽。