[发明专利]一种钴和氮共掺杂碳纳米管催化剂、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种钴和氮共掺杂碳纳米管催化剂、制备方法及应用。

背景技术

金属空气电池由于以外界取之不尽的氧气作为正极的反应物，而具有相当高的理论能量密度，是锂离子电池的2到10倍。金属锂、锌、铝、镁、钾等都可用来做金属空气电池的负极，但是锂在空气和水溶液中极不稳定，镁、铝的自放电现象严重，制约着这些金属材料作为电池负极的实际发展与应用。而锌、铁在水溶液中相对稳定，可进行有效的充放电。相对于铁，锌的能量密度和放电平台更高，因此锌-空气电池具有广阔的发展和应用前景。

锌空电池的电解液一般为6 M KOH，因为强碱溶液的电导率高，且能增强正极的反应动力学速率，放电时发生下列电化学反应：

负极：Zn + 4OH^- → Zn(OH)₄^2- + 2e^-

正极：O₂ +4e^- + 2H₂O → 4OH^-

Zn(OH)₄^2-→ZnO+H₂O+2OH^-

总反应： 2Zn +O₂ → 2ZnO

影响锌空电池放电效率的主要因素是正极的氧还原反应，因此急需高效稳定的催化剂来加速反应进程。到目前为止，铂基催化剂是最好的氧还原催化剂，但是铂储量稀少，价格昂贵，不利于大规模应用。有三种降低催化剂价格的方法（参见文献：Zhang, X.; Liu, R.; Zang, Y.; Liu, G.; Wang, G.; Zhang, Y.; Zhang, H.; Zhao, H., Co/CoO nanoparticles immobilized on Co-N-doped carbon as trifunctional electrocatalysts for oxygen reduction, oxygen evolution and hydrogen evolution reactions. Chem. Commun. 2016, 52 (35), 5946-5949.），一是减少铂的用量，制备合金或者是负载在碳或非碳基底上；其二是用其他较便宜的贵金属代替铂，例如钯、金等，这两种方案是短期的解决方法；第三，寻找非贵金属催化剂，例如过渡金属铁、钴、镍等。从长远角度看，研究出高效、稳定的非贵金属催化剂有利于锌空电池的商业化。

发明内容

本发明针对现有铂基催化剂存在的不足，提供一种氧还原活性高、稳定性好，制备工艺简单，成本低的钴和氮共掺杂碳纳米管电催化材料、制备方法及其应用。

实现本发明目的的技术方案是提供一种钴和氮共掺杂碳纳米管催化剂，它为核壳结构，以碳纳米管为核，无定形碳层为壳。

本发明技术方案还包括一种钴和氮共掺杂碳纳米管催化剂的制备方法，步骤如下：

（1）配置浓度为20～50mM的Tris缓冲溶液，按物质的量之比为4:1～1:1，将氧化碳纳米管和盐酸多巴胺加入到缓冲溶液中，超声处理30～50分钟，在温度为20～60℃的条件下反应6～12小时，得到聚多巴胺包覆的碳纳米管材料；

（2）将步骤（1）制备的碳纳米材料分散在浓度为0.1～1M的醋酸钴溶液中，在温度为20～60℃的条件下反应6～12小时后，产物用去离子水清洗，干燥，得到钴/聚多巴胺/碳纳米管粉末；

（3）将得到的钴/聚多巴胺/碳纳米管粉末置于真空管式炉中，在NH₃/N₂百分比为10～100%的氛围、压力为100～400 Pa、温度为800～1000℃的条件下碳化处理1～2小时，得到一种钴和氮共掺杂碳纳米管催化剂。

本发明技术方案可优化为：

步骤（1）中，按物质的量之比，碳纳米管与盐酸多巴胺为2:1；加入碳纳米管和多巴胺的缓冲溶液，用氢氧化钾调节pH为8.5。

步骤（2）中，醋酸钴溶液的浓度为0.2 M。

步骤（3）中，压力为100 Pa、温度为900℃，处理时间为1小时。

本发明技术方案提供的钴和氮共掺杂碳纳米管催化剂用于锌空电池。