[发明专利]一种纳米四氧化三钴负载氮掺杂超短碳纳米管析氧催化剂及其制法

说明书

本发明涉及电催化技术领域，且公开了一种纳米四氧化三钴负载氮掺杂超短碳纳米管析氧催化剂，经过浓硫酸/浓硝酸混酸体系酸化后，得到的氧化超短碳纳米管长度大大缩减，形成大量边缘缺陷，以尿素为氮源、高温热处理得到氮掺杂超短碳纳米管，其表界面的边缘缺陷掺杂氮原子后，形貌发生部分卷曲，充分暴露氧析出催化活性位点，以氮掺杂超短碳纳米管作为载体，得到草酸钴中间体，高温煅烧得到纳米四氧化三钴负载氮掺杂超短碳纳米管，氮掺杂超短碳纳米管具有良好的电学性能和化学性能，加速电子转移，解决了纳米四氧化三钴催化剂导电性低的问题，纳米四氧化三钴负载氮掺杂超短碳纳米管表现出更低的析氧过电位和优异的氧析出催化性能。

技术领域

本发明涉及电催化技术领域，具体为一种纳米四氧化三钴负载氮掺杂超短碳纳米管析氧催化剂及其制法。

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应，将燃料和氧化剂中的化学能高效、无污染的转化为电能的新能源转换装置，是未来能源体系中重要的组成部分，但是，燃料电池中重要的阳极氧析出反应，其缓慢的动力学严重拉低了整个电化学体系的工作效率，当前的商业化氧析出反应催化剂主要是Ir基和Ru基材料，但其价格昂贵，严重制约了其在工业生产中的大规模应用。

目前开发一种原料来源丰富、催化性能和稳定性优异的非贵金属催化剂是解决燃料电池成本、寿命瓶颈的关键，在各种非贵金属催化剂中，纳米结构的四氧化三钴因其价格低廉、储量丰富、在碱性电解质中活性和耐久性高而引起广泛关注，但是其导电性低，严重制约了其发挥优异的电催化性能，为了解决这个问题，一种有效的方法就是将四氧化三钴与导电性高的材料结合起来。

碳纳米管作为一种有单层或多层石墨卷曲而成的二维管状材料，具有良好的电学性能、化学性能，在氧析出领域表现出不错的应用前景，但是，其表面惰性、亲水性差、真实比表面积小等缺点，严重制约其实际应用，因此，对碳纳米管进行功能化是一种有效的方式，目前，实验研究表明，氮掺杂可以有效地提高碳纳米管的催化活性，同时，通过化学切割，不仅可以有效增大碳纳米管的比表面积，还可以在碳纳米管表界面引入缺陷，这些缺陷可以作为活性位点掺杂氮原子，调控碳纳米管的能带和电子结构，从而增强其表界面的清水性、润湿性、碳纳米管本征导电性。

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种纳米四氧化三钴负载氮掺杂超短碳纳米管析氧催化剂及其制法，解决了四氧化三钴析氧催化剂的导电性差、析氧催化活性较低的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种纳米四氧化三钴负载氮掺杂超短碳纳米管析氧催化剂，所述纳米四氧化三钴负载氮掺杂超短碳纳米管析氧催化剂制备方法如下：

(1)向烧杯中缓慢加入体积比为3:1的浓硫酸、浓硝酸，在冰浴下，加入碳纳米管、高锰酸钾，在水浴超声装置中处理6-18h，加入去离子水稀释，然后加入双氧水，充分搅拌1-3h后，得到悬浮液，过滤，用去离子水和无水乙醇洗涤干净并干燥，得到氧化超短碳纳米管；

(2)将氧化超短碳纳米管和尿素混合，在氩气气氛下，700-1100℃热处理1-3h，得到氮掺杂超短碳纳米管；

(3)向烧杯中加入去离子水，再加入氮掺杂超短碳纳米管，超声分散处理，加入硝酸钴，随后一边搅拌一边加入草酸溶液，反应2-4h，离心收集、用去离子水和无水乙醇洗涤干净并干燥，混合产物置于管式炉中，在空气氛围下，320-380℃热处理2-4h，得到四氧化三钴纳米棒负载氮掺杂超短碳纳米管。

优选的，所述步骤(1)中碳纳米管、高锰酸钾、双氧水的质量比为100:200-400:600-800。

优选的，所述步骤(2)中氧化超短碳纳米管和尿素的质量比为100:400-600。

优选的，所述步骤(3)中氮掺杂超短碳纳米管、硝酸钴、草酸的质量比为15-20:100:360-400。