[发明专利]一种氮掺杂碳包覆氮化钛纳米颗粒复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及锌‑空气电池阴极材料技术领域，具体公开了一种氮掺杂碳包覆氮化钛纳米颗粒复合材料的制备方法，包括以下步骤：将P123和钛酸异丙酯搅拌均匀后，逐滴加入含盐酸的乙醇溶液，搅拌均匀后加入蒸馏水得到混合溶液，并在油浴锅中进行加热反应得到混合液；将二聚氰胺加入到混合液中，加热搅拌至蒸干，得到前驱体材料；将前驱体材料在氮气保护下升温至不低于750℃进行保温，得到氮掺杂碳包覆氮化钛纳米颗粒复合材料。采用本专利中的制备方法解决了现有主流的过渡金属氮化物制备工艺中存在二氧化钛粒径大、易团聚，且采用氨气煅烧对环境污染严重的问题。

技术领域

本发明涉及锌-空气电池阴极材料技术领域，特别涉及一种氮掺杂碳包覆氮化钛纳米颗粒复合材料的制备方法。

背景技术

日益加剧的能源危机和环境污染问题成为当今社会所关注的焦点。因此，人们开发清洁可持续的绿色能源来替代日益减少的化石燃料，并对可持续的能量转换及储能设备的需求逐步增加。在能源设备中，金属空气电池由于其环境污染小、转换率高、能量密度高等优点被认为极具有竞争力的能源设备。金属空气电池以空气(氧)作为阴极活性物质，金属作为阳极活性物质，这其中包括锂、钠、钾、铁、镁、锌、铝等活性金属。其中，金属锌具有环境友好、成本低、资源丰富和容易回收等优势，商业化前景十分广阔。其理论能量密度为1312Wh kg^-1，大约是目前锂离子技术的2-5倍甚至更高。另外，经过一段时间的发展，锌空气电池应用在新能源汽车中成为可能。因此锌空气电池逐渐吸引广大科研工作者的关注。

空气电极(阴极)作为锌空气电池重要的组成部分常见的由导电集流体、防水透气层以及催化层三部分组成。而其中催化层则为空气电极的核心部分，催化剂性能将直接影响锌空气电池的性能。氧还原反应(ORR)是锌空气电池的重要发应，其动力学缓慢阻碍了锌空气电池的能量利用率和大规模应用。为了提高ORR反应速率而研制高活性催化剂。目前贵金属铂催化剂被认为是应用于ORR的有效催化剂，但是其成本高、稳定性差阻碍了其商业化应用。因此，探索并研制低成本、高活性和高稳定性的催化剂来提高锌-空气电池性能成为研究热点。针对解决上述目前催化剂存在的弊端主要以下两点：第一是开发低铂催化剂；第二是开发非贵金属或无金属催化剂。从长远角度考虑，第二种方法为更有效的解决方法。

过渡金属氮化物是一种目前在研究中的非贵金属催化剂，其主流方法的制备方法主要有两种：第一种：首先一锅法制备出碳包覆二氧化钛纳米颗粒复合材料，然后在氨气气氛下800℃以上煅烧制备出氮掺杂碳包覆氮化钛纳米颗粒复合材料；该方法的缺点在于：二氧化钛的粒径较大且易团聚；用氨气煅烧制备氮化钛，成本高、对设备要求高、污染环境。

第二种：首先用水解的方法制备出均匀的二氧化钛纳米颗粒，然后在二氧化钛纳米颗粒的外表面包覆一层碳材料，将得到的前驱体在氨气气氛下800℃以上煅烧制备出氮掺杂碳包覆氮化钛纳米颗粒复合材料。该方法的缺点在于：制备过程繁琐，最重要的是需要用氨气煅烧制备氮化钛，成本高、对设备要求高、污染环境。

因此鉴于上述主流工艺存在的问题，迫切需要研发一种简单、高效、环境友好和低成本的方法来制备过渡金属氮化物催化剂。

发明内容

本发明提供了一种氮掺杂碳包覆氮化钛纳米颗粒复合材料的制备方法，以解决现有主流的过渡金属氮化物制备工艺中存在二氧化钛粒径大易团聚，且采用氨气煅烧对环境污染严重的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种氮掺杂碳包覆氮化钛纳米颗粒复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将P123和钛酸异丙酯搅拌均匀后，逐滴加入到含盐酸的乙醇溶液中，搅拌均匀后加入蒸馏水得到混合溶液，并在油浴锅中进行加热反应得到混合液；

步骤2：将二聚氰胺加入到步骤1中的混合液中，加热搅拌至蒸干，得到前驱体材料；