[发明专利]一种自支撑MOF衍生碳包覆的硒化钴纳米材料的制备及应用

说明书

一种自支撑MOF衍生碳包覆的硒化钴纳米材料的制备及应用，属于MOF衍生物金属空气电池材料技术领域。该方法主要基于低廉高效的过渡金属型催化剂，通过简单便捷的溶剂热法和化学气相沉积的方法，制备得到生长在碳布上的MOF衍生碳包覆的硒化钴纳米材料，MOF衍生碳包覆的硒化钴纳米材料为硒化钴纳米材料是由无定型碳包覆着。进一步采用次磷酸钠处理可得到磷掺杂的自支撑MOF衍生碳包覆的硒化钴纳米材料。两者均可用于锌空气电池。

技术领域

本发明涉及一种基于在碳布上生长的碳包覆CoSe₂的纳米复合材料 (CoSe₂/C@CC)的制备方法，属于MOF衍生物金属空气电池材料技术领域。

背景技术

当前世界，不可再生的化石能源的消耗量飞速增长，并且即将枯竭；而其引起的全球变暖和有害气体排放等环境污染问题也日益突出。当前汽车行业取代燃油汽车的主要是电动汽车，其主要通过锂离子电池进行供电，但是锂离子电池存在原材料价格高、能量密度接近理论极限且安全性能亟待解决等问题。因此需要寻找具有优异电化学性能、低价格和高安全性的电池替代系统。

金属空气电池近年来受到越来越多的关注。氧还原反应(ORR)和析氧反应 (OER)分别是放电和充电过程中空气电极上的基本反应，但是该电化学反应表现出固有的缓慢动力学，进而导致金属空气电池能量转换效率低和稳定性差。因此需要合理设计稳定高效的双功能氧催化剂，加速反应动力学，进而提高电池的性能。

当前商业化主要使用的是贵金属型催化剂，贵金属及其合金具有优异的催化活性和稳定性。但是，由于成本高和稀缺性等限制，其不适合大规模的商业化应用，因此需要寻找低廉且高效的替代品。近年来，过渡金属型催化剂由于成本低廉、资源丰富和耐腐蚀性强等优点，逐渐成为了人们研究的热点。但是这些电催化剂大多只能对单一反应进行催化，所以研发一种经济、高效且可调节的多功能过渡金属型催化剂对金属-空气电池的性能与应用至关重要。

过渡金属硒化物具备价格低廉、电化学性能优异的特点，成为当前提升 OER/ORR双功能氧催化剂性能的重要研究手段。但已有的大多数制备方法较为复杂，且得到的材料自身导电性不强、稳定性较差，因此寻找一种高效且稳定的过渡金属硒化物型双功能氧催化剂的制备方法迫在眉睫。

发明内容

针对现有的技术问题，本发明的首要目的在于提供一种自支撑MOF衍生碳包覆的硒化钴纳米材料的制备方法。该方法主要基于低廉高效的过渡金属型催化剂，通过简单便捷的溶剂热法和化学气相沉积的方法，制备得到生长在碳布上的 MOF衍生碳包覆的硒化钴纳米材料，MOF衍生碳包覆的硒化钴纳米材料为硒化钴纳米材料是由无定型碳包覆着，具体方案包括如下：

前驱体的制备：

将对苯二甲酸和氯化钴按照摩尔比1:1溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，在常温下混合搅拌30min后，向溶液中缓慢滴加去离子水；将得到的混合溶液引入聚四氟乙烯内衬中，随后将干净碳布浸入其中，封闭后转移到反应釜中进行溶剂热反应，反应温度为120℃，反应时间3h；等烘箱温度冷却至室温后取出，洗涤，干燥，得到生长在碳布上的Co元素MOF前驱体；其中优选N,N-二甲基甲酰胺与去离子水的体积比为20:1，每3mmol对苯二甲酸对应40mlN,N-二甲基甲酰胺；

MOF衍生物的制备：

将干燥后的前驱物放置于瓷舟中，在氢气和氩气混合气氛的保护下，于管式炉中进行煅烧，以5℃/min的速率升至400-500℃并保温120min，得到生长在碳布上的MOF衍生碳化物；随后将得到的样品放入瓷舟一侧，称取硒粉倒入瓷舟另一侧，将瓷舟放入管式炉中，在氩气的保护下以3℃/min的速率升至400-550℃后保温1h，得到MOF衍生的碳包覆硒化钴纳米材料。

本发明的另一目的，在于提供一种自支撑MOF衍生碳包覆的硒化钴纳米材料。将得到的材料组装成三电极体系，利用电化学工作站CHI660E对催化剂的 OER/ORR性能进行测试。