[发明专利]一种钴基碳纳米材料的制备方法、产品及应用

说明书

本发明公开一种钴基碳纳米材料的制备方法、产品及应用，所述钴基碳纳米材料，以可溶性钴盐、可溶性锌盐、三聚氰胺为反应原料，二甲基咪唑为配体，通过高温煅烧制备钴基碳纳米材料，然后将所述钴基碳纳米材料置于水、乙醇和全氟磺酸型聚合物溶液组成的混合溶液中，混合均匀得催化剂墨水，滴加到疏水碳纸上烘干得所述锌空电池催化剂阴极电极。选用比较廉价的钴离子和锌离子作为催化剂的主要活性组分，并在其表面生长碳纳米管的异质结构，降低催化剂成本的同时保证锌‑空气电池的输出功率和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及可充电锌空气电池催化剂技术领域，具体涉及一种钴基碳纳米材料的制备方法、产品及应用。

背景技术

电动车和移动电子设备的飞速发展迫切需要开发更高能量密度和功率密度的电池。目前研究较多的有锂离子电池、燃料电池和可充电金属空气电池。其中，锌-空气电池是一种直接使用纯氧或者空气中的氧气作为空气电极(阴极)活性物质的金属空气电池。因其价格低廉、环境友好、安全性好、能量效率高等优点，是目前非常有前途的能源发展方向，有希望成为下一代的新能源电池。

但是，在锌空电池中，催化剂是锌空电池的核心组成部分，也是决定电池成本和性能的关键材料。常见的催化剂有贵金属催化剂和非贵金属催化剂，贵金属储量少，价格昂贵，而单独的非贵金属很难发挥固有的催化活性，因此阻碍锌空电池大规模商业化的首要因素就是空气电极的贵金属基催化剂的高成本、稀缺性以及双功能催化性不足，导致锌空电池的能量转化效率和循环稳定性较低。对于空气电极催化材料而言，提供一种高效、廉价的电极催化材料来促进氧还原反应和析氧反应至关重要，是提高锌-空气电池性能的有效途径。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种钴基碳纳米材料的制备方法、产品及应用，选用比较廉价的钴离子和锌离子作为催化剂的主要活性组分，并在其表面表面生长碳纳米管的异质结构，降低催化剂成本的同时保证锌-空气电池的输出功率和循环稳定性。

本发明的技术方案之一，一种钴基碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：以可溶性钴盐、可溶性锌盐、三聚氰胺为反应原料，二甲基咪唑为配体，通过高温煅烧制备钴基碳纳米材料。

进一步地，包括以下步骤：

(1)将可溶性钴盐、可溶性锌盐至于水中混合均匀后加入二甲基咪唑水溶液，搅拌混匀、陈化后离心收集得钴/锌中间产物(Co/Zn-ZIF-L)；

(2)将制备的钴/锌中间产物和三聚氰胺分散于乙醇水溶液中，搅拌混匀后加热条件下搅干得三聚氰胺包裹的钴/锌中间产物(Co/Zn-ZIF-L@melamine)；

(3)将制得三聚氰胺包裹的钴/锌中间产物煅烧得到所述钴基碳纳米材料(Co-Zn@NC-CNTs)。所述钴基碳纳米材料(Co-Zn@NC-CNTs)带有异质结构。

进一步地，所述步骤(1)中，Co²⁺、Zn²⁺和二甲基咪唑的混合摩尔比为1∶1∶8.4；搅拌时间2h；陈化时间5-10h。

进一步地，所述步骤(2)中，钴/锌中间产物和三聚氰胺的添加质量比为(0.2-0.4)∶(0.5-2)，所述乙醇水溶液中乙醇和水的混合体积比为1:1；加热温度为60℃。

进一步地，所述步骤(3)中，煅烧温度600-800℃，煅烧时间2h，升温速率5℃/min。

进一步地，所述可溶性钴盐为硝酸钴，所述可溶性锌盐为硝酸锌。

本发明的技术方案之二，上述的钴基碳纳米材料的制备方法所制备的钴基碳纳米材料。

本发明的技术方案之三，上述的钴基碳纳米材料作为锌空电池催化剂阴极电极材料的应用。