[发明专利]一种N,S共掺杂多孔碳-纳米花状CoS复合电催化剂及制法

说明书

本发明涉及氧还原电催化技术领域，一种N,S共掺杂多孔碳‑纳米花状CoS复合电催化剂，多孔碳作为一种结构稳定、导电性能良好的基体材料，能够弥补单一CoS氧还原催化剂导电性能不佳的问题，提高氧还原催化剂的催化效率并提供了非常好的稳定性，多孔结构不仅能够提供更多的活性反应位点，缩短电解质在电极内的传输距离，提高OH^‑在电极内的传输效率，同时纳米花状结构的特殊形貌带来的高比表面积与多孔碳负载的良好的分散性，使CoS具有更丰富的活性反应位点，掺杂的N,S元素提供了更多的火星反应位点，与CoS的氧还原电催化性能产生协同效应，使复合氧还原电催化材料具有良好的氧还原电催化性能。

技术领域

本发明涉及氧还原电催化技术领域，具体为一种N,S共掺杂多孔碳-纳米花状CoS复合电催化剂及制法。

背景技术

随着现代社会的不断发展，现代社会对能源的需求导致的各类非可再生能源的飞速消耗，导致严重的环境污染与资源危机，为了减轻对环境的污染以及缓解对自然资源的严重依赖，清洁能源的开发变得尤为重要，目前主要的清洁能源有太阳能、氢能、风能、潮汐能等，而燃料电池，作为一种能将化学能转换为电能的能源转换装置，具有无污染、能量密度高等优点，是一种非常好的可再生绿色能源，但是目前燃料电池阴极氧还原反应较为缓慢，限制了燃料电池的性能与应用推广，因此开发高效的氧还原催化剂是燃料电池的主要研究方向。

目前主要的氧还原电催化剂还是Pt材料，但是由于Pt是贵金属，价格昂贵，因此研究人员把目光放在了其他廉价的金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物、复合材料等材料上，主要有氮化铁、氧化锰、氧化钛、氧化钴、硫化钴、碳复合材料等，其中硫化钴也使一种具有研究潜力的氧还原电催化材料，但是单一的硫化钴氧还原材料，受限于导电性能不佳、原子利用率较低等缺陷，因此需要与其他材料复合才能充分发挥其氧还原性能，而碳材料具有良好的导电性，同时可以作为良好的分散基体，避免硫化钴发生团聚，提高复合材料的氧还原电催化性能。

(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N,S共掺杂多孔碳-纳米花状CoS复合电催化剂及制法，解决了纯硫化钴导电性能不佳、原子利用率低的问题。

(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N,S共掺杂多孔碳-纳米花状CoS复合电催化剂制备方法包括以下步骤：

(1)在冰水浴体系中，将三聚氯氰加入至去离子水中，再逐滴滴加碳酸钠溶解的pH为3-4的对位酯，搅拌反应60-100min，沉淀过滤、洗涤、真空干燥，得到3,5-二氯-1-(β-硫酸酯乙烯砜基)苯胺；

(2)将海藻酸钠加入至pH为10-11的碳酸钠溶液中，再加入3,5-二氯-1-(β-硫酸酯乙烯砜基)苯胺，进行水浴反应，过滤洗涤、真空干燥，得到三嗪环砜基海藻酸钠；

(3)将三嗪环砜基海藻酸钠溶于去离子水中再加入二氧化硅，超声分散，沉淀过滤、真空干燥，再将前驱体置于管式炉中，加热碳化，洗涤、真空干燥，得到N,S共掺杂多孔碳；

(4)将CoCl₂和半胱氨酸溶于去离子水中，混合均匀后，再加入乙二胺与N,S共掺杂多孔碳，超声分散，将分散液转移至反应釜内，进行水热反应，离心洗涤、真空干燥，得到N,S共掺杂多孔碳-纳米花状CoS复合电催化剂。

优选的，所述步骤(1)中三聚氯氰与对位酯的质量比为100:140-180。

优选的，所述步骤(2)中海藻酸钠与3,5-二氯-1-(β-硫酸酯乙烯砜基)苯胺的质量比为100:40-80。

优选的，所述步骤(2)中水浴反应的温度为于55-65℃，反应30-70min。

优选的，所述步骤(3)中三嗪环砜基海藻酸钠与二氧化硅的质量比为100:300-500。