[发明专利]用于金属空气电池的单原子钴负载氮掺杂类石墨碳阴极催化剂

说明书

本发明公开了一种用于可充锌空气电池的单原子钴负载氮掺杂类石墨碳阴极催化剂，其将双氰胺和双金属Zn‑Co‑ZIF前驱体材料在800‑900℃下碳化而成。在双氰胺存在的情况下，纽扣状的Zn‑Co‑ZIF前驱体逐渐分解并形成单原子钴负载的类石墨碳材料。测试本发明催化剂材料在0.1M KOH溶液中具有优异的ORR/OER双功能催化活性，可作为阴极催化剂应用于可充放电的锌空电池中。在0.5V电压下，本发明催化剂材料的电流密度可达290 mA cm^‑2，高于商业Pt/C+RuO₂催化剂的248 mA cm^‑2。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体公开了一种单原子钴负载氮掺杂类石墨碳阴极催化剂、制备方法及其在电池领域的应用，主要是用于可充锌空气电池。

背景技术

氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)是组成可充电锌空气电池(ZABs)的基本氧化还原反应步骤。为了提高锌空电池整体性能，扩大其实际应用范围，对双功能催化剂的探索成为科研工作者的研究热点。相比于价格高昂的贵金属催化剂(Pt/C，RuO₂)，过渡金属杂原子掺杂的碳由于其固有的独特的电子和结构特性，成为最有效的电催化剂替代品之一。为提高催化剂材料的催化性能，在碳衬底上负载单原子催化剂(SACs)为催化过程提供了一种新的选择性，提高了原子的利用率，增加了催化活性。

为了提高催化剂材料的选择性，克服活性和稳定性的限制，具有有序石墨化结构的先进碳材料，包括碳纳米管(CNTs)、碳纳米粒子、洋葱状碳和石墨烯等，被广泛研究作为电催化材料的载体，这主要是由于其独特的表面结构、高电导率、耐腐蚀和大的比表面积，可以暴露出更多的催化活性中心。金属有机框架材料(MOF)根据其特有的组成特性和多孔性，选择合适的前驱体并控制精确的热解条件可以将其转化为所需的单原子负载的多孔碳材料，应用于双功能催化剂，为锌空电池的应用创造更多条件。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种用于可充锌空气电池的单原子钴负载氮掺杂类石墨碳阴极催化剂及其制备方法，该催化剂材料的ORR、OER双功能催化性能优异。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于可充锌空气电池的单原子钴负载氮掺杂类石墨碳阴极催化剂的制备方法，其包括如下步骤：

a）将双氰胺、前驱体材料Zn-Co-ZIF混合，研磨均匀；

b）将步骤a）所得混合物升温至800-900℃并保温1.5-2 h，即得。

具体的，步骤a）中，前驱体材料Zn-Co-ZIF和双氰胺添加的质量比为1:9-10。

进一步优选的，所述前驱体材料Zn-Co-ZIF通过室温溶液法制备，选用的金属盐是六水合硝酸钴和六水合硝酸锌，配体是苯并咪唑，反应溶剂是甲醇；具体经下述步骤制备获得：

1）将六水合硝酸钴和六水合硝酸锌溶解于甲醇中，获得溶液A，备用；六水合硝酸钴和六水合硝酸锌的摩尔比为1:1-1.5；

2）将苯并咪唑溶解于甲醇中，获得溶液B；

3）将溶液A和溶液B混合搅拌反应2-3小时，静置24-26小时，然后洗涤、干燥，即得。

上述制备前驱体材料Zn-Co-ZIF的过程中，苯并咪唑的添加量为六水合硝酸钴与六水合硝酸锌的摩尔量之和的4-5倍。

进一步优选的，步骤c）中以5℃/min的升温速度升温至800℃并保温2 h。