[發明專利]一種雜原子化蜂巢碳錨定鈷/氧化鈷異質結構納米復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202310497501.4
• 申請日: 2023-05-05
• 公開（公告）號: CN116364950A
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發明（設計）人: 溫鳴;羅軼星
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 陳龍梅

本發明提供了一種雜原子化蜂巢碳錨定鈷/氧化鈷異質結構納米復合材料及其制備方法。上述制備方法包括以下步驟：步驟S1，將檸檬酸鹽和含氮小分子混合溶解，經過蒸發、煅燒、刻蝕，得到雜原子化蜂巢碳；步驟S2，將鈷鹽和雜原子化蜂巢碳在溶劑中混合，然后加入有機配體進行反應，反應后得到金屬有機框架/雜原子化蜂巢碳納米復合材料；步驟S3，將金屬有機框架/雜原子化蜂巢碳納米復合材料放置瓷舟中，轉移至管式爐在預設氣體氛圍下進行煅燒，得到雜原子化蜂巢碳錨定高暴露鈷/氧化鈷異質結構納米復合材料。上述雜原子化蜂巢碳錨定鈷/氧化鈷異質結構納米復合材料具有典型的蜂巢狀形貌和高暴露的鈷/氧化鈷異質結構，能夠作為高性能催化材料。

技術領域

本發明屬于納米復合材料領域，具體涉及一種雜原子化蜂巢碳錨定鈷/氧化鈷異質結構納米復合材料及其制備方法。

背景技術

能源和環境是人類生存和社會發展的重要基礎和關鍵保障。傳統化石能源(煤炭、石油、天然氣等)的大量消耗，不僅加劇了能源危機，而且引起了氣候變暖和環境污染等一系列問題。面對能源短缺和環境污染兩大挑戰，開發新型清潔可持續的能源體系成為人類社會長久穩定發展的關鍵，因此，低成本、高能量和環境友好的能源技術的開發極其重要。其中質子交換膜燃料電池和以鋅-空氣電池為代表的金屬-空氣電池等能源轉換裝置因其環境友好、能量密度高、安全穩定等優勢受到了極大地關注。燃料電池和金屬-空氣電池陰極發生的氧還原反應(OxygenReductionReaction,ORR)和氧析出反應(OxygenEvolutionReaction,OER)是化學能和電能轉換的重要過程。ORR和OER反應是一個互逆的過程，涉及多電子和多質子的轉移，動力學十分緩慢，并嚴重依賴于Pt、Ir、Ru等貴金屬使用。盡管貴金屬基催化劑表現出高催化活性，但其高成本、稀缺性和較差的穩定性限制了其在燃料電池和金屬-空氣電池等新型清潔能源裝置中的進一步推廣發展和使用。優異的ORR、OER催化劑是提升燃料電池、金屬-空氣電池能源轉換裝置整體性能和效率的核心，因此，開發廉價、高效且穩定的非貴金屬催化劑是目前的研究技術熱點和技術難題。

多孔碳負載的高暴露活性金屬是一種極具應用潛力的負載型催化劑。而多孔碳的常用制備策略是硬模板法或軟模板法，其制備過程往往需要提前制備好規整的硬模板(硅球、聚苯乙烯球、介孔硅等)，然后經過交聯反應、真空灌注、高溫碳化、酸堿刻蝕等一系列繁瑣的步驟獲得有序多孔碳。此外，金屬有機框架材料豐富的金屬-有機配體結點可以提供大量的金屬活性位點，然而，它的關鍵問題是在碳框架內深度包埋的金屬活性位點導致金屬原子利用率降低和反應動力學遲緩。

發明內容

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種雜原子化蜂巢碳錨定鈷/氧化鈷異質結構納米復合材料及其制備方法。

本發明提供了一種雜原子化蜂巢碳錨定鈷/氧化鈷異質結構納米復合材料的制備方法，具有這樣的特征，包括以下步驟：

步驟S1，將檸檬酸鹽和含氮小分子混合溶解，經過蒸發、煅燒、刻蝕，得到雜原子化蜂巢碳；

步驟S2，將鈷鹽和雜原子化蜂巢碳在溶劑中混合，然后加入有機配體進行反應，反應后得到金屬有機框架/雜原子化蜂巢碳納米復合材料；

步驟S3，將金屬有機框架/雜原子化蜂巢碳納米復合材料放置瓷舟中，轉移至管式爐在預設氣體氛圍下進行煅燒，得到雜原子化蜂巢碳錨定高暴露鈷/氧化鈷異質結構納米復合材料。

在本發明提供的雜原子化蜂巢碳錨定鈷/氧化鈷異質結構納米復合材料的制備方法中，還可以具有這樣的特征：其中，步驟S1中，檸檬酸鹽為檸檬酸銨、檸檬酸鉀或檸檬酸鈉，含氮小分子為尿素、二氫二胺、三聚氰胺或六亞甲基四胺，步驟S1中，檸檬酸鹽和含氮小分子的摩爾比為0.5～5.0。

在本發明提供的雜原子化蜂巢碳錨定鈷/氧化鈷異質結構納米復合材料的制備方法中，還可以具有這樣的特征：其中，步驟S1中，進行蒸發時，蒸發方式為油浴、水浴或沙浴，溫度為60℃～150℃，