[发明专利]一种氮掺杂石墨烯负载钴原子及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种氮掺杂石墨烯负载钴原子及其制备方法和应用，包括有以下步骤：1)按一定比例称取0.01‑0.9mmol C₄H₆CoO₄·4H₂O粉末充分溶于30mL的去离子水中；2)取5mL步骤1)所得溶液加入5mL的2.0mg/mL的氧化石墨烯溶液中，搅拌均匀；3)将步骤2)所得产物冷冻干燥；4)将步骤3)所得产物持续通氨气密闭煅烧，所得产物即为氮掺杂石墨烯负载钴原子。本发明的有益效果是：该种材料作为电催化氧还原的正极活性材料时，该材料的合成工艺简单、成本低廉、环境友好、可重复性极高，所得材料催化性能优异，易于扩大化工业化生产，非常有利于市场化推广。

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种氮掺杂石墨烯负载钴原子及其制备方法和应用。

背景技术

随着全球经济以及人口的快速增长，环境污染和化石能源的过度消耗使得人们对绿色能源的需求与日俱增。新能源汽车与便携式设备的发展迫切需要开发高比能、高安全的新型绿色电源。金属空气电池具有高比能，高安全性和绿色环保等优势是极具发展前景的下一代高效电源。空气正极的高效电催化剂设计与制备是金属空气电极发展的关键问题之一。近年来随着研究的不断深入，氮掺杂的碳材料负载过渡金属的材料获得了广泛的研究。新型的高催化活性、高稳定性的材料不断出现。从研究角度上看，M-N-C材料本身具有一定的ORR催化性能，氮掺杂的石墨烯的催化性能也很强，两者结合起来具有媲美贵金属铂的催化性能。且碳材料具有较高的导电性能也能增强材料的起始电位。因此，作为氧还原电极催化材料时表现出显著的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低廉、环境友好，而且电催化氧还原性能优异的氮掺杂石墨烯负载钴原子材料及其制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种氮掺杂石墨烯负载钴原子的制备方法，包括有以下步骤：

1)按一定比例称取0.01-0.9mmol C₄H₆CoO₄·4H₂O粉末充分溶于30mL的去离子水中；

2)取5mL步骤1)所得溶液加入5mL的2.0mg/mL的氧化石墨烯溶液中，搅拌均匀；

3)将步骤2)所得产物冷冻干燥；

4)将步骤3)所得产物持续通氨气密闭煅烧，所得产物即为氮掺杂石墨烯负载钴原子。

按上述方案，步骤1)所述的C₄H₆CoO₄·4H₂O所取的物质的量为0.03-0.6mmol。

按上述方案，步骤4)所述的煅烧温度为300-400℃。

按上述方案，步骤4)所述的煅烧时间为1-3小时，升温速率为2-10℃/min。

采用上述任意制备方法所得的氮掺杂石墨烯负载钴原子。

所述的氮掺杂石墨烯负载钴原子作为电催化氧还原反应的正极材料应用。

本发明的有益效果是：本发明利用氧化石墨烯作为载体，加入过渡金属钴原子，通过冷冻干燥固定材料形貌，通入氨气并煅烧得到不同钴含量的氮掺杂石墨烯负载钴原子材料。该种材料作为电催化氧还原的正极活性材料时，该材料的合成工艺简单、成本低廉、环境友好、可重复性极高，所得材料催化性能优异，易于扩大化工业化生产，非常有利于市场化推广。

附图说明

图1是本发明实施例1的氮掺杂石墨烯负载钴原子的合成示意图；

图2是本发明实施例1的氮掺杂石墨烯负载钴原子的扫描和透射电镜图；