[发明专利]中空铁掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料及制备

说明书

本发明提供了一种中空铁掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料及其制备。所述的中空铁掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料，其特征在于，包括中空氮掺杂碳材料以及包覆在中空氮掺杂碳材料外的铁掺杂氧化钴镍。本发明制备的复合材料具有中空结构形貌，聚苯胺衍生的中空氮掺杂多孔碳材料支撑起该复合材料的中空多面体结构，铁掺杂的氧化钴镍均匀的生长在中空氮掺杂碳材料的外部，避免了铁掺杂的氧化钴镍团聚的问题，具有比表面积大、导电性好、物理化学性质稳定、电化学性能优越等优点。

技术领域

本发明属于金属氧化物-碳材料技术领域，具体涉及一种中空铁掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

析氧反应(OER)是水分解反应中必不可少一步，而不幸的是，析氧反应(OER)是动力学缓慢的反应，需要较高的过电位。因此，研究具有高活性、高耐用性且低成本的OER电催化剂，对于开发高效的水分解装置是十分必要的。

为了提高电催化反应的能量转换效率，必须使用具有低过电位的催化剂来加速OER过程。大量的研究工作致力于开发高活性的电催化剂来取代贵金属催化剂，含有第一排过渡金属(如Fe，Co和Ni)的氧化物/氢氧化物由于它们优异的OER性能而引起了极大的关注。然而，有关过渡金属元素掺杂金属氧化物的研究报道很少。根据已有文献报道，过渡金属元素掺杂金属氧化物可能会改变本体材料的电子结构，进而达到增加活性位点和提升材料导电性的目的。其中，Fe原子作为一种高催化活性的元素，用其对金属氧化物掺杂能更大程度地加快OER的动力学进程。

与此同时，中空纳米结构由于其独特的结构特征，已被广泛应用于OER催化剂的设计之中。具有较大的比表面积的中空结构能赋予催化剂更多暴露的活性位点。而且，它们的大空隙空间可以有效地降低离子迁移阻力和表面反应的离子扩散长度。

发明内容

本发明的目的在于是提供一种中空铁掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种中空铁掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料，其特征在于，包括中空氮掺杂碳材料以及包覆在中空氮掺杂碳材料外的铁掺杂氧化钴镍。

本发明还提供了上述的中空铁掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括：在ZIF-67表面包覆聚苯胺，得到ZIF-67@聚苯胺复合材料，通过酸刻蚀和碳化处理得到中空氮掺杂碳材料，经化学共沉积和退火，得到中空铁掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料。

优选地，所述的在ZIF-67表面包覆聚苯胺的具体步骤包括：将ZIF-67粉末超声分散在水中，得到均匀分散液，加入苯胺单体，使其均匀分散后，加入过硫酸铵水溶液，搅拌反应后，进行离心、洗涤、干燥得到ZIF-67@聚苯胺复合材料。

更优选地，所述的过硫酸铵水溶液的浓度为0.6-2.2g/30mL，优选0.95g/30mL。

更优选地，所述的搅拌反应时间为10-12h。

更优选地，所述的苯胺单体与过硫酸铵的比例为10-30μL∶0.6-2.2g。

更优选地，所述的ZIF-67粉末与苯胺单体的比例为100mg∶10-30μL，优选100mg∶20μL。

更优选地，所述的均匀分散液中ZIF-67粉末的浓度为0.5-1.5mg/mL。

优选地，所述的酸刻蚀放入具体步骤包括：将ZIF-67@聚苯胺复合材料的粉末浸入到盐酸溶液中，搅拌反应，刻蚀掉内部的ZIF-67，得到中空聚苯胺。

更优选地，所述的盐酸溶液的浓度为0.5-1.5mol/L，刻蚀时间为3-9h。

更优选地，所用盐酸的浓度为1mol/L，搅拌时间为6h。