[发明专利]一种氮掺杂剥离碳纳米管负载四氧化三钴材料的制备方法

说明书

本发明公开一种氮掺杂剥离碳纳米管负载四氧化三钴材料的制备方法，该制备方法首先通过强氧化剂和浓酸将碳纳米管液相剥离制备剥离的碳纳米管，然后通过水热反应的方法将四氧化三钴纳米粒子负载到剥离的碳纳米管中，与此同时，剥离的碳纳米管与氮源、钴源反应生成氮掺杂剥离碳纳米管负载四氧化三钴材料。本发明技术方案的制备方法制备过程简单，原料易得，易于实现工业化生产。另外制备所得的氮掺杂剥离碳纳米管负载四氧化三钴材料不仅具有良好的ORR性能，而且具有优良的OER性能，在氧电催化领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及无机功能材料制备技术领域，特别涉及一种氮掺杂剥离碳纳米管负载四氧化三钴材料的制备方法。

背景技术

无论是燃料电池或者金属—空气电池，都包含有阳极和阴极反应，其中阴极氧还原反应(ORR)动力学很慢，速率大概是阳极反应的千分之一，而过电势太高是限制燃料电池输出功率与能量功率的瓶颈。

现有技术中，ORR催化剂有贵金属，如铂、铑等。铂被认为是活性最高的单组分电催化剂之一，然而由于使用铂存在成本较高，稳定性较差并且容易中毒等缺点，因此限制了其实际应用。另外过渡金属氧化物如四氧化三钴、四氧化三铁、氧化亚铜等导电性不好，催化性不高，因此等不到广泛应用。

对于贵金属以及过渡金属而言，催化活性中心是金属原子。最近几年，非金属氧还原催化剂由于具有优异的耐酸碱性能以及抗甲醇和抗一氧化碳性能，因此得到人们广泛关注。在非金属基电催化剂中，氮掺杂的剥离碳纳米管具有高的比表面积，优良的导电性能以及良好的稳定性等优点，逐渐成为理想的氧还原反应电催化剂材料之一。

在日益严峻的能源危机和环境污染下，将水分解成为氢气已经成为近年来研究热点。氢气生产和燃烧过程中零污染物排放、比较高的质量能量密度等优点使得氢燃料成为有望取代传统化石能源的新型清洁能源。但是水分解过程不是一个自发反应，需要高电势和电催化剂来提高反应速率，这样使得氧化析出反应(OER)成为水分解过程中的一个瓶颈。

但是目前的高效OER催化剂主要以贵金属如Ru和Ir，但是上述两种贵金属成本较高且资源储备量极低，因此严重局限贵金属应用。另外，因为非贵金属OER催化剂在金属—空气电池以及燃料电池中也起到至关重要的作用，因此对基于非贵金属高效且稳定的OER催化剂研发具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种氮掺杂剥离碳纳米管负载四氧化三钴材料的制备方法，旨在使氮掺杂的剥离碳纳米管负载过渡金属氧化物成为氧还原反应和氧析出反应的催化剂。

为实现上述目的，本发明提出的一种氮掺杂剥离碳纳米管负载四氧化三钴材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：制备剥离碳纳米管；

步骤S2：制备氮掺杂剥离碳纳米管负载四氧化三钴材料。

优选地，所述步骤S1包括以下步骤：

步骤S11：将浓酸倒入至装有碳纳米管的烧瓶中，搅拌并充分混合得到分散溶液；

步骤S12：向所述步骤S11的分散溶液中慢慢加入强氧化剂，搅拌一定时间得到混合物；

步骤S13：将所述步骤S12的混合物放置在水浴中加热一段时间并保持搅拌；

步骤S14：向所述步骤S13的混合物加入过氧化氢和去离子水，得到分散液；

步骤S15：将所述步骤S14的分散液通过反复离心和多次洗涤，最终冷却干燥得到剥离碳纳米管。

优选地，所述步骤S11中的碳纳米管与浓酸的质量比为1:40～400，所述步骤S12中的碳纳米管与强氧化剂的质量比为1:1～10，所述步骤S13的水浴温度范围为60～90℃，所述步骤S13的水浴反应时间为0.5～10h。