[发明专利]一种钴镍氮共掺杂碳纳米管催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种钴镍氮共掺杂碳纳米管催化剂的制备方法及其应用，通过一步法制备金属离子包覆碳氮的前驱体，在高温下金属离子被还原成金属单质同时并充当于催化剂，使得碳氮原料在金属单质附近沉积，逐步形成氮掺杂的碳纳米管。第一步制得钴包覆氮掺杂的碳纳米管，第二步引入镍，最终制得一种钴镍氮共掺杂碳纳米管催化剂。本发明的合成方法简单成本低，所制备的钴镍氮共掺杂碳纳米管催化剂具有优异的催化性能。本发明制备的钴镍氮共掺杂碳纳米管催化剂的形状良好，直径和长度均一。

技术领域

本发明属于无机功能材料制备技术领域，具体涉及一种钴镍氮共掺杂碳纳米管催化剂的制备方法及其应用。

背景技术

在现代社会中，能源危机和环境危机已成为亟待解决的问题。由于煤炭和石油等常见的矿物燃料是不可再生资源，且会对环境造成污染。所以可再生能源和清洁能源技术已成为当今人们关注的焦点，氢能作为清洁可再生的二次新能源就这样出现在了人们的视野中。在氢能的制备之中，工艺最为成熟的电解水被广泛应用于工业生产。电解水阴极发生的析氢反应(HER)是产生氢气的反应，而催化剂是催化反应的关键。高效的电催化剂可有效降低反应过程所需的能耗。因此，研究有效的电催化剂已成为探索可持续能源技术的优先事项。

贵金属Pt由于其优异的催化性能被应用于催化剂中，但是成本过高、资源稀缺等问题成为了阻碍其发展的重要因素。过渡金属具有优异的导电性且价格低廉，被视为替代贵金属的前景材料。相对于普通的碳纳米管(CNT)氮掺杂碳纳米管(NCNT)具有更多的活性位点，同时氮的引入能够改善碳纳米管的电荷分布从而提高其导电性，最终提升电催化析氢的效率。

现有技术中，制备过渡金属与氮掺杂碳纳米管的方法比较复杂，且效率很低，不能广泛应用于生产，即使在碳纳米管中引入了氮，单一过渡金属的催化性能有限，无法达到预期的效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种钴镍氮共掺杂碳纳米管催化剂的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述钴镍氮共掺杂碳纳米管催化剂的应用。

本发明的原理为：通过一步法制备过渡金属离子包覆碳氮的前驱体，在高温下，过渡金属离子发生还原反应，被还原成过渡金属单质，该过渡金属单质充当催化剂，使得碳氮原料在金属单质附近沉积，逐步形成氮掺杂的碳纳米管。

本发明根据以上所述原理，分两步引入过渡金属钴和镍，第一步制得钴包覆氮掺杂的碳纳米管，第二步引入镍，最终制得一种钴镍氮共掺杂碳纳米管催化剂。

本发明的技术方案如下：

一种钴镍氮共掺杂碳纳米管催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将钴盐、碳氮原料和蒸馏水于60-80℃充分搅拌反应后，进行干燥并研磨成粉末；该钴盐包括六水合氯化钴、四水合乙酸钴和六水合硝酸钴中的至少一种，该碳氮原料包括三聚氰胺，葡萄糖和1，3，5-三嗪中的至少一种，钴盐与碳氮原料摩尔比为1∶1-10，钴盐与蒸馏水的比例为0.0012-0.0013mol∶20-40mL；

(2)将上述粉末置于通入保护气氛的管式炉中煅烧，该煅烧具体为：以8-12℃/min的速率从室温升至540-560℃后保温煅烧1.5-2.5h，然后以4-6℃/min的升温速率升至700-1000℃后保温煅烧1.5-2.5h；

(3)将与上述钴盐相同摩尔的镍盐充分溶解于溶剂中，获得镍盐溶液；该镍盐包括六水合氯化镍、六水合硫酸镍和四水合乙酸镍中的至少一种，镍盐与溶剂的比例为0.0012-0.0013mol∶20-40mL；

(4)将步骤(2)所得的物料与步骤(3)所得的镍盐溶液混合，于120-200℃反应6-24h；