[发明专利]一种内层碳镶嵌金属纳米颗粒的碳空心球的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种内层碳镶嵌镍钴纳米颗粒的氮掺杂碳空心球电催化剂的制备方法：首先利用水热法，制备含氧碳层包覆的金属氧化物颗粒；接着，将聚多巴胺沉积于含氧碳层外表面；随后高温热解，聚多巴胺热解形成碳‑氮复合物，并结合在含氧碳层的结构中，形成氮掺杂的碳‑氮复合物层。而最里层的部分镍‑钴氧化物被高温热解产生的碳还原，形成金属单质镍和钴，它们从里向外镶嵌进入碳‑氮复合物的结构中，从而在里层形成空腔结构，导致了一种外层碳氮复合物包覆、内层碳镶嵌金属纳米颗粒的碳空心球。本发明的材料对氧还原反应的电催化活性高度稳定，可以反复循环使用，作为阴极材料在锌‑空气电池领域具有重要应用。

技术领域

本发明属于新型电化学能源材料领域，具体涉及到一种内层碳镶嵌金属纳米颗粒的碳空心球的制备方法及其应用。

背景技术

锌-空气电池是一种新型的电化学能源装置，它具有安全、零污染、高能量、大功率、低成本及材料可再生等优点，是一种装备电动汽车等的理想动力电源。我国的锌储量很大，居世界第一，所以开发锌-空气电池也具有明显的资源优势。在氢氧燃料电池车的商业化面临价格昂贵、投资巨大、技术瓶颈一时难以逾越的时候，锌-空气电池的诞生也许可为环保汽车的普及提供一条捷径。

锌-空气电池另一个显著的优点就是可再生利用。锌电极使用完后，可通过再生还原得到再次使用。另外，锌电极也可以采用机械充电方式，即将用完后的锌电极从电池中取出，放入特制的槽中充电。锌空气电极可以重复使用多次，还可以制成直接充电的锌空气电池，简称二次锌空气电池。由于锌空气电池的充电主要是更换极板，所以极板的再生可以集中进行。极板的分发可以像商店那样布点，不必建立专用的充电站。这不但可以节约大量先期投资，而且给用户带来很多方便。

但要实现锌-空气电池反复多次的机械充电方式，即只是更换锌阳极，而空气电极，即阴极必须能够多次反复地循环使用，而且要保持对氧还原反应高效率的电催化活性。所以这种机械充电方式的锌-空气电池的主要关键部件是阴极，即阴极催化剂必须具有高度稳定的电活性，而且可以反复使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种内层碳镶嵌金属纳米颗粒的碳空心球，本发明的目的还提供了一种内层碳镶嵌金属纳米颗粒的碳空心球的制备方法。

为达到上述目的，本发明的实施方案为：一种内层碳镶嵌金属纳米颗粒的碳空心球的制备方法，包括以下步骤：

（1）将二价镍盐和二价钴盐溶于聚乙二醇的水溶液中，在不断搅拌下用1 mol×LNaOH 溶液将溶液 pH 调至10，随后加入葡萄糖，搅拌，使混合物形成均匀溶液；最后，将溶液移至聚四氟乙烯内衬的反应容器中，在 180℃下反应，冷却，过滤，所得固体用水洗，40^oC下真空干燥，得到含氧碳层(用COC表示)包覆的镍钴氧化物（用NiCo-Ox表示），记为NiCo-Ox@COC；

所述二价镍盐为醋酸镍 (Ni(CH₃COO)₂×4H₂O)，或硝酸镍（Ni(NO₃)₂·6H₂O），或氯化镍（NiCl₂·6H₂O）；

所述二价钴盐为醋酸钴(Co(CH₃COO)₂×4H₂O)，或硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O），或氯化钴（CoCl₂·6H₂O）；

所述二价镍盐与二价钴盐在均匀溶液中总的质量根据二价镍离子与二价钴离子的总质量确定：二价镍离子与二价钴离子在均匀溶液中的总质量为0.8 ~ 2.5 wt%；

所述均匀溶液中，镍盐与钴盐的质量比根据二价镍离子与二价钴离子的质量比确定：二价镍离子与二价钴离子的质量比为1:（0.5 ~3）；