[发明专利]一种氮掺杂碳复合石墨烯包覆金属钴催化剂、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳复合石墨烯包覆金属钴催化剂的制备方法，涉及催化剂技术领域。包括以下步骤：以碳源、氮源、氧化石墨烯为反应原料，在液体媒介中，于180‑220℃水热反应10‑15h，获得氮掺杂碳复合石墨烯前驱体；将钴盐及获得的氮掺杂碳复合石墨烯前驱体均匀分散于有机溶剂中，在络合剂的作用下，于50～75℃搅拌反应0.5～1h，反应结束后，再经洗涤、干燥，获得氮掺杂碳复合石墨烯包覆金属钴前驱体；将获得氮掺杂碳复合石墨烯包覆金属前驱体，在氢气与氩气的混合氛围下，于300～600℃反应1～6h，即得所述氮掺杂碳复合石墨烯包覆金属钴催化剂。本发明提供的方法使用的原料价格低廉，制备过程简单、安全、周期短，所需设备简单，适合大规模生产。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，具体涉及一种氮掺杂碳复合石墨烯包覆金属钴催化剂、制备方法及应用。

背景技术

随着化石燃料的大量消耗，随之带来的是严峻的环境问题和能源问题，故开发清洁、环境友好、再生能源迫在眉捷。氢能具有能量密度高、产物清洁、燃烧热值高等优点，被认为是传统的化石燃料的理想替代者。在众多的制备的方法中，电解水制氢工艺简单，产物清洁，是一种获得高效的氢气的途径，但其反应动力学缓慢需要电位较高，制备过程会消耗额外的能量，故高活性催化剂的加入是关键。目前，贵金属的催化性能是最好的，但是由于价格昂贵和贮量少，妨碍了其商业化应用。开发资源丰富、高效、稳定性突出等的非金贵属催化剂代替贵金属，在未来可实现大规模生产。碳基金属催化剂如Co@NC/NG、CoPs/NG、CoP@NC/CF-900、NiFe/G、Co-P/N-doped carbon matrices、Co@N-CNTs@rGO等由于其优异的催化性能得到广泛关注。

制备氮掺杂碳复合石墨烯包覆金属钴催化剂的方法有很多，其中最广泛使用的方法是化学气相沉积法，是以氯化钴和金属有机框架(MOFs)为原料，经高温煅烧得到碳基金属催化剂，但现有的制备方法周期长，使用的原料较为昂贵，大规模生产成本高。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术中存在的不足，本发明提供了一种氮掺杂碳复合石墨烯包覆金属钴催化剂、制备方法及应用，本发明为了获得氮掺杂碳复合石墨烯包覆金属钴催化剂而提供的制备方法，该方法使用的原料价格低廉，制备过程简单、安全、周期短，所需设备简单，适合大规模生产。

本发明第一个目的是提供一种氮掺杂碳复合石墨烯包覆金属钴催化剂的制备方法，包括以下步骤：

以碳源、氮源、氧化石墨烯为反应原料，在液体媒介中，于180～220℃反应10～15h，获得氮掺杂碳复合石墨烯前驱体；

将钴盐及获得的氮掺杂碳复合石墨烯前驱体均匀分散于有机溶剂中，在络合剂的作用下，于50～75℃搅拌反应0.5～1h，反应结束后，再经洗涤、干燥，获得氮掺杂碳复合石墨烯包覆金属钴前驱体；

将获得氮掺杂碳复合石墨烯包覆钴钴前驱体，在氢气与氩气的混合氛围下，于300～600℃反应1～6h，即得所述氮掺杂碳复合石墨烯包覆金属钴催化剂。

优选的，所述氧化石墨烯与所述钴盐的质量比为1：1.88～11.76。

更优选的，所述钴盐为硝酸钴、硫酸钴、氯化钴或碳酸钴。

优选的，所述络合剂为三乙醇胺，所述三乙醇胺与钴盐用量比为1mL：0.294～0.588g。

优选的，所述氧化石墨烯、碳源、氮源的质量比为1：53：16～24。

更优选的，所述碳源为柠檬酸或葡萄糖；所述氮源为尿素或三乙醇胺。

优选的，在氢气与氩气的混合氛围下，以3～6℃/min的升温速率升温至300～600℃；其中，所述氢气与氩气的混合气氛中所述氢气占混合气体积的5％。

优选的，所述液体媒介为等体积的乙醇和水溶液配制而成；所述有机溶剂为乙醇、丙醇或丙酮。