[发明专利]无溶剂热解法合成CoFe合金包裹在N,P共掺杂的碳组装的空心球纳米材料的方法

说明书

本发明公开了一种无溶剂热解法合成CoFe合金包裹在N,P共掺杂的碳组装的空心球纳米材料的方法，将三聚氰胺、三氧化二铁和维生素B12在玛瑙研钵中研磨均匀，将得到的混合材料置于管式炉中，在氮气气氛中，以2℃/min的升温速率升温至550℃保持2h，再以5℃/min的升温速率升温至700℃保持1.5h，然后自然冷却至室温后，将得到的产物在0.5M硫酸溶液中浸泡20h，随后依次离心、洗涤、烘干得到CoFe@NP‑CHS纳米材料。本发明制备过程简单方便，无任何溶剂的使用，制得的空心球结构的材料能显著提高其对氧还原反应和析氧反应的催化活性，并且该材料在锌空电池方面具有优异的性能。

技术领域

本发明属于碳基纳米材料的合成技术领域，具体涉及一种简单的无溶剂热解法合成CoFe合金包裹在N,P共掺杂的碳组装的空心球（CoFe@NP-CHS）纳米材料的方法。

背景技术

由于高度依赖化石燃料而导致的日益严重的环境污染和能源危机等问题，在开发可再生和清洁能源存储和转换技术方面引发了极大的兴趣。金属-空气电池具有低成本、环境友好、高的理论能量密度和好的安全性等优点引起广泛关注。然而，电化学反应较大的过电位和缓慢的动力学严重限制了这些设备的大规模实施。

最近，杂原子（如N和P）掺杂的碳材料由于高度可调的结构和组成、优异的稳定性及易制备等优点，被视为是替代贵金属催化剂有前景的催化剂。特别地是，由于N和P之间的强供电子能力和大的电负性，N和P原子植入碳晶格中将赋予相邻的碳原子更正的电荷密度，可加速电子转移，促进O₂分子的吸附进而提高催化性能。

过渡金属（M=Ni、Fe、Co等）及其合金掺入碳基质，将增加可获得的活性位点，调整碳材料的电子结构，提高催化活性。同时金属纳米颗粒（NPs）被包覆于碳骨架中，进一步增加材料的稳定性，防止NPs在测试中团聚。

除了化学组成，结构对催化活性也有非常大的影响。通常，大的比表面积和多孔结构可以暴露足够的活性位点，并且提供电荷转移通道来加速催化剂和电解质之间的质量传输。因此，设计具有可调结构的杂原子及金属合金掺杂的碳材料仍然是一个巨大的挑战。针对这一问题，研究者通过各种方法制备具有形貌的碳材料（纳米纤维、纳米立方体）这些方法包括水热法、静电纺丝法、热解法及牺牲模板法等。然而这些方法一般都涉及有机溶剂，多步构建，且在制备过程中材料易于坍塌烧结，因此简单的无溶剂的热解法制备空心球是目前研究的热点。

发明内容

本发明为克服现有技术中多步合成空心球碳材料存在的问题而提供了一种制备过程简单的无溶剂热解法合成CoFe合金包裹在N,P共掺杂的碳组装的空心球（CoFe@NP-CHS）纳米材料的方法。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，无溶剂热解法合成CoFe合金包裹在N,P共掺杂的碳组装的空心球纳米材料的方法，其特征在于具体步骤为：将三聚氰胺、三氧化二铁（Fe₂O₃）和维生素B12（VB12）在玛瑙研钵中研磨均匀，其中三聚氰胺、三氧化二铁和维生素B12的质量比为10:4:3，将得到的混合材料置于管式炉中，在氮气气氛中，以2℃/min的升温速率升温至550℃保持2h，再以5℃/min的升温速率升温至700℃保持1.5h，然后自然冷却至室温后，将得到的产物在0.5M硫酸溶液中浸泡20h，随后依次离心、洗涤、烘干得到CoFe合金包裹在N,P共掺杂的碳组装的空心球结构CoFe@NP-CHS纳米材料。