[发明专利]一种钴氮共掺杂碳基电催化剂材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种钴氮共掺杂碳基电催化剂材料及制备方法，本发明属于电化学和新能源领域。本发明以封装了金属钴离子的阴离子金属有机骨架为前驱体，在氮气气氛下，通过高温热解方法制备出钴氮共掺碳基纳米材料，该材料在碱性条件下具有优异的氧还原、氧析出和氢析出催化性能，利用该材料组装的可充电锌空气电池和全解水装置都具有良好的充放电性能和长久的稳定性。本发明制备工艺简单，催化剂性能良好，经济且可大量制备。

技术领域

本发明属于电化学和新能源领域，具体涉及一种钴氮共掺杂碳基电催化剂材料及制备方法。

背景技术

当前，世界能源消耗还是以石油、煤炭、天然气等矿物能源为主，破坏生态环境的同时还面临能源枯竭的严峻问题。节能减排、能源转型已成为人类可持续发展的必经之路。寻求高效、绿色、可持续和安全的能源变得越来越紧迫。金属空气电池是新一代的绿色二次电池，具有成本低、无污染、比功率高、比能量高等优点，既有丰富的资源，还能再生利用，具有很好的发展和应用前景。在金属空气电池中，正极反应在放电和充电过程中分别涉及氧还原(ORR)和氧析出(OER)反应。水电解制氢是另一种高效和清洁的能源技术，可以产生纯度高的氢气，它由两个半反应组成：阴极上的析氢反应(HER)产生H₂，阳极上的析氧反应(OER)产生O₂。在当前的实际应用中，铂基催化剂仍然是ORR/HER的高效催化剂，而铱和钌基催化剂是优异的OER催化剂，然而成本高、贵金属稀缺、长期稳定性差、易中毒等缺陷严重限制了这些贵金属催化剂的大规模商业应用。因此，近十年来，人们一直致力于发展可用于催化ORR、OER和HER的新型高效非贵金属电催化剂。

在各种材料中，钴氮共掺杂碳材料被认为是很有前途的候选材料。已开发的氮共掺杂材料可以由金属、氮和碳的单独前驱体混合均匀后高温热解制备。通常，是由Co盐与碳载体和N源、或Co螯合的大环(如卟啉及其衍生物)配合物混合热解而成。目前已报道的钴氮共掺杂碳材料在单独的ORR、OER或者HER反应方面已表现出良好的催化活性，部分性能已超越贵金属催化剂，然而具有三功能，即在ORR、OER和HER三个反应都表现出良好催化性能的催化剂报道仍然很少，这种三功能非贵金属催化剂应用在燃料电池、金属空气电池和全解水装置方面不管是在催化剂的制备还是器件的制备方面都可以极大的降低其成本。

发明内容

针对现有催化剂成本高，贵金属稀缺，稳定性差的问题本发明提供了一种钴氮共掺杂碳基电催化剂材料及制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种钴氮共掺杂碳基电催化剂材料，包括以下质量份数的组分：氮源3-4份、碳源87-92份、钴源0.6-1.0份和氧源3-8份；

所述氮源中氮的存在形式为石墨氮、吡啶氮、吡咯氮或Co配位氮；所述碳源中碳的存在形式为石墨碳或多孔碳；所述钴源中钴的存在形式为金属纳米单质钴、钴氧或钴氮配合物；所述氧源中氧的存在形式为羰基氧、钴氧配合物或氮氧化物。本发明制备的电催化剂，实现了多重催化活性位点的可控制备，提高了ORR/HER/HER催化性能，降低了成本，适用于商业化应用。

一种钴氮共掺杂碳基电催化剂材料的制备方法，利用钴离子配合物作为钴源，通过一锅法反应合成出封装金属钴离子的三维阴离子金属有机骨架作为前驱体，进一步通过惰性气氛下高温热解合成出钴氮共掺杂碳基电催化材料。本发明在常规加热搅拌反应的条件下，实现了三维阴离子金属有机骨架的制备。简化了实验步骤，提高反应物的制备速度。本发明制备的电催化剂，实现了拥有多重催化活性位点的可控制备，提高ORR/HER/HER催化性能，对于实际应用具有重大指导意义。

进一步地，所述利用钴离子配合物作为钴源，通过一锅法反应合成出封装金属钴离子的三维阴离子金属有机骨架作为前驱体，进一步通过惰性气氛下高温热解合成出钴氮共掺杂碳基电催化材料，具体包括如下步骤：