一种分级结构氮掺杂碳化钴催化剂及其制备方法与应用.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CN114171746A(43)申请公布日2022.03.11(21)申请号202111459434.4C01G51/04(2006.01)(22)申请日2021.12.02(71)申请人广西师范大学地址541004广西壮族自治区桂林市七星区育才路15号(72)发明人蔡业政何彩媚马兆玲李庆余王红强吴强刘葵黄有国(74)专利代理机构桂林市华杰专利商标事务所有限责任公司45112代理人罗玉荣(51)Int.Cl.H01M4/88(2006.01)H01M4/90(2006.01)H01M12/08(2006.01)C01B32/914(2017.01)权利要求书1页说明书4页附图7页(54)发明名称一种分级结构氮掺杂碳化钴催化剂及其制备方法与应用(57)摘要本发明公开了一种分级结构氮掺杂碳化钴催化剂及其制备方法与应用，所述方法为：将活性炭粉、尿素、六水硝酸钴按比例在反应釜里进行反应，产物经离心分离、干燥、研磨后，在氮气气氛、350°C下热处理得到活性炭粉耦合的一氧化钴纳米颗粒分级结构粉末（CoONPHS/EC），最后，将三聚氰胺与CoONPHS/EC分别置于两个烧舟中，在氮气气氛、500°C下热处理1h后，得到由氮掺杂纳米、微米碳化钴颗粒组装为一维、二维、三维结构的分级结构氮掺杂碳化钴催化剂。这种方法操作简单、成本低、生产周期短，用这种方法制备的催化剂催化活性和稳定性高，作为双功能催化剂应用于锌空气电池中具有出长时间的充放电循环寿命。CN114171746ACN114171746A权利要求书1/1页1.一种分级结构氮掺杂碳化钴催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）混料：准确称取70mg活性炭粉、200mg尿素和1200mg六水硝酸钴分散在去离子水里形成分散液，然后将分散液转入反应釜里，在160°C反应10h后结束反应，反应产物经离心、干燥后得到Co基尿素交联物；2）煅烧：将步骤1）得到的Co基尿素交联物在氮气的气氛下升温至350°C，并在350°C下保温2h后自然降温至室温，将所得物料用玛瑙研钵研磨，得到活性炭粉耦合的一氧化钴纳米颗粒分级结构粉末CoONPHS/EC；3）按质量比称取三聚氰胺和CoONPHS/EC粉末，并将三聚氰胺和CoONPHS/EC粉末按顺序置于管式炉上、下游位置的两个烧舟中，在N2保护下将管式炉加热至500°C，并在该温度保持1h后自然冷却至室温，得到分级结构的氮掺杂碳化钴催化剂。2.根据权利要求1所述的分级结构氮掺杂碳化钴催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述的活性炭粉：尿素：六水硝酸钴的质量比为7:20:120。3.根据权利要求1所述的分级结构氮掺杂碳化钴催化剂的制备方法，其特征在于，步骤3）中所述的三聚氰胺和CoONPHS/EC的质量比为30:1‑50:1。4.用权利要求1‑3任意一项所述分级结构氮掺杂碳化钴催化剂的制备方法制备的分级结构的氮掺杂碳化钴催化剂。5.用权利要求4所述分级结构的氮掺杂碳化钴催化剂在锌空气电池中的应用。2CN114171746A说明书1/4页一种分级结构氮掺杂碳化钴催化剂及其制备方法与应用技术领域[0001]本发明涉及锌空气电池中阴极催化剂材料技术，具体是一种分级结构氮掺杂碳化钴催化剂及其制备方法与应用。背景技术[0002]锌空气电池因具有成本低、能量密度高、环境友好等优点，在大型电网储能和可穿戴电子设备中受到广泛关注。然而，锌空气电池缓慢的阴极氧还原反应（ORR）、氧析出反应（OER）严重的限制了电池的性能。为了加快反应速率通常采用Pt、RuO2、IrO2等贵金属作为催化剂从而提高其电池性能。但是，自然界中贵金属的稀缺性限制了其广泛应用。开发一种高活性、低成本、耐用、丰富的非贵金属催化剂是非常有必要的。常见的非贵金属ORR/OER催化剂主要有铁、钴、镍、锰等过渡金属催化剂，然而，Fe系催化剂存在潜在的芬顿效应，这将产生自由基并破话催化剂的结构，最终导致催化活性衰退，严重影响电池的寿命，与Fe系催化剂相比，Co类催化剂因具有良好的催化性能、较弱的芬顿效应，成为有应用潜力的ORR催化剂。[0003]近年来研究表明，钴氧化物、碳化物、氮化物、硫化物以及钴‑氮‑碳等多种新型材料对ORR或OER具有可观的催化活性。然而，钴系催化剂的电化学结构稳定性仍不足，导致催化性能随着电池充放电循环而衰退，进而限制电池的实际应用，这主要是钴系催化剂中的碳材料在高含氧、高电势、强碱条件下易发生化学/电化学氧化的结果。目前大部分报道的钴系催化剂是低维尺度的金属颗粒负载或内嵌在碳基底上，碳基底在电池体系遭受破坏后，将引起具有催化活性钴颗粒、位点从基底上脱落、再团聚，降低金属的有效利用并增加催化活性位界面电子转移。在钴