[发明专利]一种氮掺杂碳包覆金属复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳包覆金属复合材料及其制备方法和应用，该复合材料通过尿素与乙酰丙酮金属配合物反应制备得到，其为片层状结构，氮原子均匀掺杂在碳材料基体中，金属纳米颗粒被碳材料所包覆，所述碳材料基体上存在多个纳米孔，所述纳米孔的孔径为3～20nm，所述金属纳米颗粒的粒径为5～50nm。所述制备方法包括：(1)将尿素和乙酰丙酮金属配合物以1：0.05～0.2的质量比混合均匀后进行研磨；(2)将步骤(1)所得的研磨混合物在惰性气氛下在650～900℃的温度下处理1～3h。本发明还涉及本发明的复合材料或根据上述方法制备的复合材料作为电催化剂的应用。本发明的复合材料的催化活性高、耐久性强，原料廉价易得，制备方法简单易行，可实现大规模批量生产。

技术领域

本发明属于电催化剂制备技术领域，具体涉及一种氮掺杂碳包覆金属复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

在众多新能源领域中，燃料电池及金属空气电池由于其能量转换效率高和可忽略的污染物排放等优点而受到研究人员的极大关注。涉及四电子转移步骤的阴极电催化氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction，ORR)，由于其缓慢的动力学特性，使得燃料电池和金属空气电池最终的转化效率不高。目前，贵金属铂基复合材料由于其具有高的本征电催化活性，在碱性和酸性电解液中均展现出最高效的氧还原反应催化活性，但是由于铂基催化剂使用成本高、易中毒和稳定性差等缺点，极大地限制了其在实际的燃料电池和金属空气电池中大规模使用。因此，开发成本低、活性高和耐久性好的新型氧还原反应电催化剂已被认为是新能源领域的重点和难点。

综上所述，以廉价易得的物质为原料，通过简单易行的制备方法合成催化活性高、耐久性强的高性价比电催化剂具有重要意义和挑战性。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种氮掺杂碳包覆金属复合材料。

本发明的另一个目的是提供一种制备氮掺杂碳包覆金属复合材料的方法，制备该氮掺杂碳包覆金属复合材料的原料廉价易得，方法简单易行，制得的催化剂的催化活性高、耐久性强。

本发明的又一个目的是提供如上所述的氮掺杂碳包覆金属复合材料或根据上述制备方法获得的氮掺杂碳包覆金属复合材料作为电催化剂的应用。

为达到上述目的，本发明提供一种氮掺杂碳包覆金属复合材料，其通过尿素与乙酰丙酮金属配合物反应制备得到，所述氮掺杂碳包覆金属复合材料为片层状结构，氮原子均匀掺杂在碳材料基体中，金属纳米颗粒被碳材料所包覆，所述碳材料基体上存在多个纳米孔，所述纳米孔的孔径为3～20nm，所述金属纳米颗粒的粒径为5～50nm。

在一些实施方案中，所述纳米孔的孔径为3～10nm，优选为3.8nm，所述金属纳米颗粒的粒径为10～30nm，优选为15nm。

在一些实施方案中，所述复合材料的比表面积为300～500m²/g，优选为430m²/g。

在一些实施方案中，所述碳材料为石墨化碳。

在一些实施方案中，所述金属选自铁、钴、镍、铜或锌中的一种或多种，优选地，所述金属选自铁、钴或镍中的一种或多种，更优选地，所述金属为钴。

在一些实施方案中，本发明提供制备如上所述的氮掺杂碳包覆金属复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将尿素和乙酰丙酮金属配合物混合均匀后在研磨机上研磨1～5h来制备研磨混合物，其中研磨机的转速为200～500rpm，尿素和乙酰丙酮金属配合物的质量比为1：0.05～0.2；

(2)将步骤(1)所得的研磨混合物在惰性气氛下升温至650～900℃，并在该温度下处理1～3h，最终制得所述氮掺杂碳包覆金属复合材料。