[发明专利]中空锌掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳复合材料及其制备

说明书

本发明提供了一种中空锌掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳复合材料及其制备方法。所述的中空锌掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳复合材料，其特征在于，包括中空氮掺杂碳复合材料，所述的中空氮掺杂碳复合材料外包覆有锌掺杂氧化钴镍。本发明采用协同增强策略制备的锌掺杂的氧化钴镍中空氮掺杂碳多面体复合材料具有小尺寸、大比表面积、高导电性、结构稳定等优点，可用作理想的高性能催化剂材料，可被用于电催化析氢领域。

技术领域

本发明属于金属氧化物-碳材料技术领域，特别涉及一种中空锌掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳多面体复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

氢气作为一种丰富、可再生的清洁燃料，被认为世界上最有希望替代化石燃料的能源之一，正被广泛应用于人们生产生活中的各个领域。电解水是最为简单的能大规模产氢的方法，它是指在通电的作用下电化学催化剂表面发生氢离子得电子被还原成氢气的反应。目前，铂(Pt)是最高效的析氢(HER)催化剂，但Pt作为一种价格昂贵的贵金属，资源十分有限，限制了其在电解制氢领域的大规模推广使用。因此开发低廉、高效的新型析氢电催化剂具有十分重要意义。氧化钴镍作为过渡金属氧化物中重要的成员，显示了优异的电催化活性，同时具有成本低、资源丰富等特点，赋予其广泛应用于电催化领域的潜力。尽管如此，纯氧化钴镍的比表面积低、导电性能不佳、与电解液接触不充分，使得电子不能有效传输，大大限制了其电催化效果。为了尽可能克服上述弊端，将氧化钴镍与导电材料进行复合、杂原子掺杂改性及微纳结构设计是几条行之有效的途径。

金属有机框架多孔材料，是目前迅速发展的新型多孔材料的重要组成部分，具有尺寸可控、形状可调和比表面积大的特性，使其在很多领域有着十分广阔的应用场景。本专利以ZIF-67为模板通过外延生长有机聚合物，并通过热裂解得到三维的中空氮掺杂碳多面体材料，它的大比表面积为无机粒子的生长提供了更多的位点，被视作是一种理想的催化剂载体材料。

杂原子掺杂可在催化剂内部引入原子级改性，从而改变材料本征态的电荷分布、大大提高材料的导电性，最终使催化剂的电催化性能大幅提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制备工艺简单、成本低廉、HER催化性能优异的中空锌掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳多面体复合材料及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种中空锌掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳复合材料，其特征在于，包括中空氮掺杂碳复合材料，所述的中空氮掺杂碳复合材料外包覆有锌掺杂氧化钴镍。

本发明还提供了上述的中空锌掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括：在ZIF-67表面原位聚合生长聚苯胺，得到聚苯胺/ZIF-67复合物，通过酸刻蚀和热解，得到中空氮掺杂碳复合材料，经化学共沉积和退火，得到中空锌掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳复合材料。

优选地，所述的在ZIF-67表面原位聚合生长聚苯胺的具体步骤包括：将ZIF-67粉末分散在水中，加入苯胺单体，再加入过硫酸铵水溶液，搅拌，在ZIF-67表面原位聚合生长聚苯胺，离心、洗涤、干燥得到聚苯胺/ZIF-67复合物。

更优选地，所述的ZIF-67粉末与水的比例为50～200mg∶100mL，优选100mg∶100mL。

更优选地，所述的ZIF-67粉末与苯胺单体的比例为50～200mg∶10～40μL，优选100mg∶20μL。

更优选地，所述的原位聚合反应的时间为6～18h，优选12h。

优选地，所述的过硫酸铵与苯胺单体的摩尔比为1∶0.8-1.2，优选1∶1。

更优选地，所述的干燥方法为：在60℃条件下，真空干燥12h。