[发明专利]一种碳包覆双金属橄榄石相磷酸钴锰锂材料、其制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种碳包覆双金属橄榄石相磷酸钴锰锂材料、其制备方法及其应用。本发明提供的碳包覆双金属橄榄石相磷酸钴锰锂纳米材料包括：双金属橄榄石相磷酸钴锰锂纳米颗粒和包覆在所述纳米颗粒表面的碳包覆层；所述双金属橄榄石相磷酸钴锰锂纳米颗粒具有式(1)结构：LiCo_0.75Mn_0.25PO₄ 式(1)。本发明提供的上述纳米材料，核芯颗粒‑双金属橄榄石相磷酸钴锰锂纳米颗粒具有式(1)结构，且具有橄榄石相构型，再包覆碳包覆层，能够使材料作为电催化析氧反应的催化剂，提高电催化析氧活性。同时，本发明提供的制备方法使产品晶相纯净，降低了颗粒尺寸、提高了颗粒均匀性。

技术领域

本发明涉及电解水催化领域，特别涉及一种碳包覆双金属橄榄石相磷酸钴锰锂材料、其制备方法及其应用。

背景技术

现代电解水技术是实现太阳能与化学能转换与存储的最重要、最具挑战性过程之一，它可以分为两个半反应：析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。对于阴极HER过程来说，最有效的催化剂是铂(Pt)及其合金类材料。近年来，有关制备电催化析氢纳米催化剂的基础研究取得了很大进展，一些钼基材料，如MoS₂、Mo₂C和MoN都已经被证明了是可能的替代铂类的电催化材料，实际测试发现这些HER催化剂都具有较低的过电位和较大的电解电流，展现出一定程度上的不错的电催化性能，有望替代昂贵的Pt类电催化材料。

然而，在电解水的两个半反应中，实际上的瓶颈技术限制是电催化析氧反应(OER)催化剂的开发，因为这一过程需要发生水分子转移来释放一个氧气分子，同时涉及两个质子和四个电子的耦合，因此这样的阳极反应动力学速率较慢，造成实际电解水产O₂需要很大的过电位且效率低下，这也是限制金属空气电池和燃料电池等二次能源技术发展的核心因素之一。为了实现水的全分解，必须开发高活性的OER催化剂。

目前，RuO₂、IrO₂等贵金属催化剂对OER反应具有较高的催化活性，但由于其价格高昂、来源匮乏，在工业级大规模应用中受到限制，因此对开发其他潜在的稳定和有效的OER催化剂提出了更多的研究要求。在众多的研究报道中，含有Co-Mn的化合物(包括氧化物，氢氧化物，尖晶石和钙钛矿结构)，由于其只含有高丰度的过渡金属元素Co和Mn、成本低廉和理想的理论催化活性而成为被研究最活跃的OER催化剂体系之一，有望成为高效的OER候选催化剂。但与贵金属催化剂相比，其催化活性依然较低。

在1997年，美国得克萨斯大学的John B.Goodenough教授和其他研究小组报道了Li⁺离子在橄榄石型LiFePO₄材料中的可逆性进出，与传统的正极材料尖晶石LiMn₂O₄和二维层状LiCoO₂相比，橄榄石型的原料来源更广，价格更低，无环境污染，从而引起了对橄榄石结构材料广泛的研究。而刚刚颁布的2019年诺贝尔化学奖，则众望所归的授予了JohnB.Goodenough教授，以表彰他在橄榄石结构的锂电池正极材料研究中做出的历史贡献。然而在实际橄榄石类材料制备过程中，面临着晶相不纯，晶粒尺寸过大，样品不均匀容易团聚等工艺难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种碳包覆双金属橄榄石相磷酸钴锰锂材料、其制备方法及其应用。本发明提供的碳包覆双金属橄榄石相磷酸钴锰锂材料能够作为电催化析氧反应(OER)催化剂，有效提高电解水催化活性。同时，本发明提供的制备方法能够提高产品晶相纯净，结构稳定，降低颗粒尺寸、提高颗粒均匀性。

本发明提供了一种碳包覆双金属橄榄石相磷酸钴锰锂纳米材料，包括：双金属橄榄石相磷酸钴锰锂纳米颗粒和包覆在所述纳米颗粒表面的碳包覆层；

所述双金属橄榄石相磷酸钴锰锂纳米颗粒具有式(1)所示结构：