一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂及其制备方法和应用.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111468161A(43)申请公布日2020.07.31(21)申请号202010337463.2C25B11/03(2006.01)(22)申请日2020.04.26C25B11/06(2006.01)H01M4/96(2006.01)(71)申请人中山大学H01M12/06(2006.01)地址510275广东省广州市海珠区新港西H01M12/08(2006.01)路135号(72)发明人余丁山方正松杨美佳李靖袁中柯(74)专利代理机构广州粤高专利商标代理有限公司44102代理人段卉(51)Int.Cl.B01J27/24(2006.01)B01J35/04(2006.01)B01J35/10(2006.01)C25B1/04(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图3页(54)发明名称一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂及其制备方法和应用(57)摘要本发明公开了一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂及其制备方法和应用。本发明提供了一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂，将沸石咪唑酯骨架结构材料前驱体限域生长在二氧化硅光子晶体模板中，在氩气气氛下升温热解碳化并除模板后即得。该催化剂具有独特的三维有序的蜂窝状多级孔结构，是一种能够同时高效电催化氧还原、氧析出和析氢反应的三功能催化剂，具有良好的金属位点分散性和电催化活性，且该催化剂的制备方法简单易行、成本低。因此，本发明制备得到的催化剂在制备清洁能源器件中具有广泛的应用前景。CN111468161ACN111468161A权利要求书1/1页1.一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂，其特征在于，将沸石咪唑酯骨架结构材料前驱体限域生长在二氧化硅光子晶体模板中，在氩气气氛下升温热解碳化并除模板后即得。2.权利要求1所述三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.将碳纤维布加电压进行电化学氧化处理后，加入单分散的二氧化硅微球分散液，烘干，得到二氧化硅光子晶体模板；S2.将六水合硝酸钴和六水合硝酸锌混合溶解，加入2-甲基咪唑，随后将混合溶液加入到步骤S1得到的二氧化硅光子晶体模板中，烘干，得到前驱体；S3.将步骤S2得到的前驱体在氩气气氛下升温后热解碳化，酸洗，干燥，即得所述催化剂。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2中六水合硝酸钴、六水合硝酸锌和2-甲基咪唑的质量比为1：2～4：11。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S3所述升温的速率为2℃～10℃/min。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S3所述热解碳化的温度为800℃～1100℃。6.权利要求1所述催化剂或权利要求2～5任一所述方法制备得到的催化剂。7.权利要求6所述催化剂在制备清洁能源器件中的应用。8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述清洁能源器件为锌-空气电池或全水分解装置。2CN111468161A说明书1/5页一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂及其制备方法和应用技术领域[0001]本发明属于催化剂技术领域。更具体地，涉及一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂及其制备方法和应用。背景技术[0002]电催化氧还原、氧析出和析氢反应是多种清洁能源器件(如燃料电池、水分解装置或金属-空气电池)的核心反应。发展高效且稳定的双/三功能催化剂，对这些能源器件来说是非常重要和迫切的。尽管商用的贵金属基催化剂(如Pt/C和RuO2等)对电催化氧还原、氧析出和析氢反应中的某一个或两个反应具有良好的催化活性。但是，这些昂贵的催化剂在商业化的过程中，受限于贵金属的低地球储量和较差的使用稳定性。因此，探索新型的非贵金属基催化剂的材料，成为了当前的研究热点。[0003]非贵金属基催化剂尤其是碳基材料，由于其具有大的比表面积、高导电性以及优良的物理化学稳定性等优势，受到了人们的广泛关注。在各种各样的碳基材料中，过渡金属高度分散的催化剂能够实现活性位点的充分暴露和利用。目前，人们已经研制出了多种高度分散的过渡金属基碳催化剂，例如钴-氮/碳(Co-N-C)，镍-氮/碳(Ni-N-C)和铁-氮/碳(Fe-N-C)等。然而，现有的材料受限于单功能或双功能反应活性。尽管，YuanPan等研究显示一种高度分散的Fe-N-C材料能够同时实现电催化氧还原、氧析出和析氢反应，但是其氧析出和析氢活性仍旧难以满足清洁能源器件对催化剂的需求(YuanPan，ABimetallicZn/FePolyphthalocyanine-DerivedSingle-AtomFe-N4CatalyticSite:ASuperiorTrifunctionalCatalystforOverallWaterSplittin