[发明专利]一种球形二硫化钴/碳复合高效氧析出催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及催化和纳米材料领域，特别是可以将其应用到金属‑空气电池、燃料电池中。通过简单的水热法首先以葡萄糖为原料合成了一种形貌均一、尺寸均匀的碳基体，在此基础上，将钴前驱体负载到碳基体上，该前驱体材料与硫粉以1:2的质量比均匀混合后置于管式炉中进行硫化，得到最终产物：纳米球形二硫化钴/碳复合催化剂材料，以其作为氧析出电催化剂表现出优异性能。该催化剂在0.1M的碱性氢氧化钾溶液中进行氧析出性能测试，纳米二硫化钴/碳复合催化剂材料具有比贵金属催化剂更加小的过电位(280mV)，且该催化剂制备工艺简单，所需原料丰富，价格低廉，合成周期短、产量高等优点。

技术领域

本发明属于催化和纳米材料领域，具体涉及一种基于二硫化钴/碳复合材料的高效氧析出(OER)催化剂制备方法及应用，该催化剂可广泛应用于二次金属-空气电池(例如锌-空气电池、铝-空气电池、镁-空气电池等)、燃料电池等领域。

背景技术

目前，资源短缺和环境污染仍然是人类面临的最严重的问题，随着煤、石油等自然资源的日益减少，不可再生资源的大量燃烧带来的全球气候变暖和大气污染等问题日益加剧，这些问题迫使人们寻找高效、清洁、绿色无污染的可再生能源，以满足人们对资源日益增长的需要。二次金属-空气电池、燃料电池因其理论比能量高(一般在1000Wh/kg以上)，且清洁无污染，逐渐引起研究人员的广泛关注。但是对于二次金属-空气电池来说，因为其充放电过程中伴随的氧析出动力学反应过程缓慢，导致电池性能达不到理想的状况，难以达到高的比容量和实现电池长循环寿命。因此本发明通过简单的水热法制备了一种高效的氧析出催化剂，以提高金属-空气电池的氧析出性能。

国际上公认的最优异的氧析出催化剂是贵金属二氧化铱和二氧化钌，但是由于其稀缺性(地壳中含量仅9×10^-9％)，使这类贵金属催化剂价格日益攀升限制了其广泛应用。研究人员发现，过渡金属硫化物由于其灵活的结构特点和丰富的活性位点展现出较好的氧析出催化性能，但是因过渡金属硫化物的导电性普遍较差，使其使用寿命和稳定性受到很大限制。因此开发具有高催化活性，同时兼具较好导电性的氧析出催化剂材料，是一项十分重要的研究工作。本发明基于这一思路，通过将碳基材料与过渡金属硫化物复合制备出一种基于碳基材料的球形二硫化钴高效氧析出催化剂。

碳材料的前驱体我们选用价格便宜易得的葡萄糖，过渡金属硫化物选用具有价态可变、结构可控特点的二硫化钴。将二者结合制备出了纳米二硫化钴/碳复合高效氧析出催化剂，在相同测试条件下，其氧析出催化性能明显优于贵金属催化剂。

发明内容

本发明根据以上提出的问题，设计了一种将碳基材料与二硫化钴复合的思路，制备高性能氧析出催化剂。

本发明的具体方案如下：

(1)将葡萄糖溶于一定量去离子水中，加入反应釜内，在180℃下反应8小时，离心干燥得到碳基体；

(2)将(1)所得的碳基体，分散于40毫升无水乙醇中，搅拌30分钟，加入钴盐、尿素和氟化铵混合继续搅拌30分钟，完全溶解后加入反应釜内，在150℃下反应12小时，离心干燥；

(3)将(2)所得产物与硫粉混合均匀在管式炉惰性气体保护下煅烧。

第一步中，将3克葡萄糖溶于40毫升去离子水中，加入容积为50毫升的反应釜内，在180℃下反应8小时，自然冷却至室温后，用去离子水、无水乙醇分别离心3次，在60℃的烘箱中干燥12小时，得到碳基体。

第二步中，钴盐可以用五水合硝酸钴或者乙酸钴，加入第二步所述的药品后，在反应釜内反应完全后用去离子水、无水乙醇分别离心3次，在60℃的烘箱中干燥12小时。

第三步中，将(2)所得产物与硫粉以1:2的质量比混合均匀，在管式炉中以2℃/min的升温速率升温到350-500℃，并保温2-3小时硫化反应完毕自然冷却至室温，即可得到纳米二硫化钴/碳复合催化剂材料。

附图说明