[发明专利]一种锚定NiPd/Ni的氮掺杂碳纳米片复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锚定NiPd/Ni的氮掺杂碳纳米片复合材料及其制备方法和应用，其以具有三维纳米结构的氮掺杂碳纳米片作为载体，载体上均匀锚定有NiPd合金和Ni金属单质纳米粒子。本发明简单易行，原料成本低廉，可实现规模化生产。本发明方法制得的锚定NiPd/Ni的氮掺杂碳纳米片复合材料具有三维纳米结构(氮掺杂碳纳米片)且粒径超细(～13.0nm)的NiPd合金和Ni金属单质纳米粒子均匀的锚定在碳纳米片上。该材料能够作为碱性双功能氧电催化材料的应用，具备优异的活性以及稳定性能。

技术领域

本发明涉及一种碱性双功能氧电催化剂技术领域，特别是涉及一种锚定NiPd/Ni的氮掺杂碳纳米片复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着便携式电子设备和电动汽车对能源的需求不断增加，高效、安全的能量存储和转换技术受到了广泛的关注，因此高能量密度(1086Wh kg^-1)、低成本和卓越的安全性，可充电锌-空气电池被认为是最有潜力的候选者之一。可充电锌-空气电池是通过金属锌在阳极和氧气在空气阴极的氧化还原反应产生电的。然而，在空气阴极中，氧还原和氧析出反应(ORR/OER)的迟缓的氧反应动力学限制了其实际应用。由于可逆氧反应动力学缓慢，锌-空气电池的充放电过程必须由双功能电催化剂来催化，而双功能电催化剂对析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)都具有活性。

为了满足同时催化ORR和OER的需要，锌-空气电池通常有两个空气阴极室，可以分离ORR和OER催化。然而，使用两种不同催化剂去单独的催化ORR或OER反应会导致兼容性差、成本高和制造复杂性。常见的方法是将ORR活性组分和OER活性组分混合在一起，例如使用Pt/C+RuO₂/IrO₂。虽然贵金属催化剂如Pt和Ir/Ru分别对ORR和OER表现出显著的电催化性能。但是不仅它们的稀缺性和高成本是重要的问题，而且它们的双功能氧电催化性能不足和稳定性也是短板。由于混合后的兼容性差，这种策略在控制粒子均匀分布和产生有效的接触界面方面往往都失败了。这些缺陷不可避免地导致了锌-空气电池在长期运行过程中活性成分的团聚和溶解，阻碍了锌-空气电池性能的进一步提高。因此，设计有效的双功能电催化剂是加速可充电锌-空气电池商业化的关键。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种锚定NiPd/Ni的氮掺杂碳纳米片复合材料及其制备方法和应用，该材料制备方法简易通用，原料成本低廉，可实现规模化生产，且制得的锚定NiPd/Ni的氮掺杂碳纳米片复合材料作为氧还原和氧析出电催化催化剂材料表现出优异的活性和稳定性。

技术方案：本发明所述的一种锚定NiPd/Ni的氮掺杂碳纳米片复合材料，以具有三维纳米结构的氮掺杂碳纳米片作为载体，载体上均匀锚定有粒径约13nm的NiPd合金和Ni金属单质纳米粒子。

所述的一种锚定NiPd/Ni的氮掺杂碳纳米片复合材料制备方法，以含镍化合物和含钯化合物为金属前驱体，以亚胺基二乙腈为配体并作为碳氮源，利用溶剂热法制备得到Ni²⁺/Pd²⁺/亚胺基二乙腈纳米片状络合物，后经热解还原处理，得到锚定粒径约13nm的NiPd/Ni的氮掺杂碳纳米片复合材料。

具体包括以下步骤：

(1)将含镍化合物、含钯化合物和亚胺基二乙腈溶于苯甲醇中，搅拌均匀，得到混合溶液；

(2)将混合溶液倒入反应釜中，后置于烘箱中加热反应，取反应产物洗涤烘干，得到所述Ni²⁺/Pd²⁺/亚胺基二乙腈纳米片状络合物；

(3)将Ni²⁺/Pd²⁺/亚胺基二乙腈纳米片状络合物在惰性/还原气氛中进行热处理，得到锚定粒径约13nm的NiPd/Ni的氮掺杂碳纳米片复合材料。