[发明专利]一种多孔氮掺杂碳负载钴纳米材料、制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种多孔氮掺杂碳负载的钴纳米材料、制备方法及其应用。所述制备方法将钴源溶解在柠檬酸钠溶液中，与钴氰化钾混合反应，得到类似普鲁士蓝的纳米立方体；在缓冲溶液中与多巴胺水溶液混合搅拌，得到多巴胺包覆钴基普鲁士蓝复合材料；干燥后，高温退火煅烧；然后加入无机酸在反应釜中酸洗，得到多孔氮掺杂碳负载的钴纳米材料。结果表明该材料有较好的电子传输性能、巨大的比表面积、良好的稳定性和较多的活性位点，在碱性电解质中表现出较好的电催化活性，能够作为氧析出、氢析出和氧还原反应的三功能催化剂。

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种多孔氮掺杂碳负载钴纳米材料、制备方法及其应用。

背景技术

随着化石能源的急剧消耗及其使用所带来环境问题的加剧，寻求高效、绿色、可持续和安全的能源，变得越来越紧迫。

以锌空气电池为代表的燃料电池能够有效地将化学能转化为电能，由于其理论能量密度高、成本低、安全等优势，引起了科研工作者的广泛关注并有望应用于大型移动设备（如电动汽车）和便携式设备（如手机）。但是其在工作过程中发生的氧气还原反应（ORR）和氧气析出反应（OER）效率低下，使得电池的能量效率和可循环寿命降低，因此需要电催化剂提升反应速率。目前，大多数催化剂为贵金属催化剂（如Pt、Ru、Ir），它们具有优异的电催化活性，但是价格高昂、活性低和耐久性不足，限制了燃料电池的进一步发展和应用。

另外，氢能是最重要的新能源之一，电解水可以直接将电能转换成氢能不产生任何环境污染物并且具有氢纯度高的优点，是最理想的制氢技术。但是电解过程中的氧气析出反应（OER）和氢气析出反应（HER）效率低下，也需要贵金属催化剂来提高反应速率。如何提高电解水的效率并且降低电解水的成本成为电解水制氢技术的关键问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多孔氮掺杂碳负载的钴纳米材料材料、制备方法及其应用，旨在解决现有电催化剂价格昂贵、耐久性差的问题。

本发明的技术方案如下：

一种多孔氮掺杂碳负载的钴纳米材料的制备方法，其中，包括步骤：

将钴源、柠檬酸钠和钴氰化钾加入去离子水中，混合得到钴基前驱物；

将所述钴基前驱物和盐酸多巴胺加入缓冲液中，混合得到复合材料；

将所述复合材料在惰性气体氛围中煅烧，得到多孔材料；

将所述多孔材料溶解于无机酸中并置于反应釜中进行加热处理，得到多孔氮掺杂碳负载的钴纳米材料。

所述的制备方法，其中，所述钴源和所述柠檬酸钠的摩尔比为2-6:3-9，所述钴源和所述钴氰化钾的摩尔比为3-6 : 2-4。

所述的制备方法，其中，所述钴源为硝酸钴、氯化钴和乙酸钴中的一种或多种。

所述的制备方法，其中，所述将钴源、柠檬酸钠和钴氰化钾加入去离子水中，混合得到钴基前驱物的步骤，具体包括：

将所述钴源和柠檬酸钠溶解于去离子水中，得到A溶液；

将钴氰化钾加入去离子水中，得到B溶液；

在搅拌条件下将所述B溶液与所述A溶液进行混合后，依次经过静置、分离、干燥处理，得到钴基前驱物，其中静置时间为20-30 h，干燥温度为60-80℃，干燥时间为8-16 h。

所述的制备方法，其中，所述缓冲液为pH为8.5的磷酸缓冲盐溶液或三羟甲基氨基甲烷缓冲液。

所述的制备方法，其中，所述钴基前驱物与所述盐酸多巴胺的质量比2-4:1-2。