[發明專利]一種鈷基催化劑及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202310247642.0
• 申請日: 2023-03-15
• 公開（公告）號: CN116417623A
• 公開（公告）日: 2023-07-11
• 發明（設計）人: 胡超權;鐘杰;許雪冰;高麗
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所;中科南京綠色制造產業創新研究院
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;H01M12/06
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 陳小龍

本發明提供一種鈷基催化劑及其制備方法和應用，所述制備方法包括以下步驟：(1)將硼源和含氮碳源混合，熱解得到含硼氮化物；(2)將所述含硼氮化物、鈷源、螯合劑和醇類溶劑混合，熱解得到所述鈷基催化劑。本發明通過硼源和螯合劑對鈷基催化劑實現了硼氮共摻雜，硼源有效調節了鈷的電子結構，螯合劑既能增加碳載體中的氮含量，還能抑制鈷納米顆粒的團聚，通過硼源和螯合劑的協同作用將鈷納米顆粒負載在硼氮共摻雜的碳載體上，不僅在鈷納米顆粒的表面形成了鈷氮硼活性位點，還有效提高了活性位點的含量，使得鈷基催化劑的氧還原性能得到顯著提高，應用于電池領域能提供較大的功率密度；此方法制備步驟簡單，操作方便，有著良好的應用前景。

技術領域

本發明屬于電化學技術領域，具體涉及一種鈷基催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

鋁空氣電池是一種以鋁為陽極，直接使用純氧或者空氣中的氧氣作為空氣電極(陰極)活性物質的金屬空氣電池。金屬空氣電池是新一代綠色二次電池的代表之一，具有成本低、無毒、無污染、比功率高、比能量高等優點，既有豐富的資源，還能再生利用，而且比氫燃料電池結構簡單，是很有發展前景的新能源。

目前，對于鋁空氣電池的研究主要集中在開發高性能氧還原催化劑方面。但是，催化劑性能的提高往往依賴貴金屬的使用以及更復雜的制備工藝，而這些都不可避免地提高了金屬空氣電池的成本，一定程度上限制了大規模應用的推廣。近年來，鋁空氣電極的材料的研究方向主要有兩個方向：一方面是研究貴金屬及合金材料，例如鉑、鉑鈷合金等；另一方面是研究非金屬材料，例如氮摻雜過渡金屬材料、雜原子摻雜碳基納米材料等。

例如，CN111490259A公開了一種金屬-空氣電池用氮摻雜且含缺陷的多孔碳孔道負載鈷團簇材料及其制法，所述材料包含氮摻雜且含缺陷的多孔碳和鈷(II)團簇。上述材料由于具有很高導電性，有利于電子的傳輸以及材料中的多孔結構有利于增大其表面積，從而增強活性材料的氧還原反應活性。CN111682224A公開了一種金屬空氣電池用單原子鈷負載氮摻雜類石墨碳陰極催化劑的制備方法，上述材料由于獨特的表面結構、高電導率、具有單原子鈷和大的比表面積，可以暴露出更多的催化活性中心從而增強了活性材料的氧還原反應活性以及在空氣電池中有良好的表現。CN110336049B公開了一種氮鈷摻雜的中空碳納米纖維及其制備方法，上述材料由于中空碳納米纖維具有良好的內部通道、高比表面積以及良好的導電性可以提供更多的活性位點、縮短電子傳輸的路徑，能夠加速氧氣和電解質的擴散并且氮和鈷分散在中空碳納米纖維內部和表面，從而有利于提高氮鈷摻雜的碳納米纖維的電化學性能和循環穩定性能。

然而，現有技術中鈷基氧還原催化劑仍然存在鈷納米顆粒發生團聚以及氧還原性能較低的問題。

因此，目前亟需開發一種新型的鈷基氧還原催化劑，以減少鈷納米顆粒的團聚，同時提高催化劑的氧還原性能。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種鈷基催化劑及其制備方法和應用。本發明通過硼源和螯合劑對鈷基催化劑實現了硼氮共摻雜，硼源有效調節了鈷的電子結構，螯合劑既可以增加碳載體中的氮含量，還可以抑制鈷納米顆粒的團聚，通過硼源和螯合劑的協同作用將鈷納米顆粒負載在硼氮共摻雜的碳載體上，不僅在鈷納米顆粒的表面形成了鈷氮硼活性位點，還有效提高了活性位點的含量，使得鈷基催化劑的氧還原性能得到顯著提高，應用于電池領域能提供較大的功率密度；此方法制備步驟簡單，操作方便，有著良好的應用前景。

為達到此發明目的，本發明采用以下技術方案：

第一方面，本發明提供一種鈷基催化劑的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

(1)將硼源和含氮碳源混合，熱解得到含硼氮化物；

(2)將所述含硼氮化物、鈷源、螯合劑和醇類溶劑混合，熱解得到所述鈷基催化劑。