[发明专利]一种磷化二钴纳米颗粒/氮磷掺杂碳纳米球复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种磷化二钴纳米颗粒/氮磷掺杂碳纳米球复合材料及其制备方法。所述复合材料由基体内部分散有磷化二钴纳米颗粒的氮磷掺杂碳纳米球构成，其中磷化二钴纳米颗粒的尺寸为5～20nm，占复合材料总质量的0～15wt％，作为基体的氮磷掺杂碳纳米球的直径为150～350nm。所述制备方法为：将多巴胺和F127共溶于水和乙醇混合溶剂作为溶液A，将六氯环三磷腈溶于均三甲苯作为溶液B，将B缓慢加入A并充分搅拌形成微乳液；加入氨水使多巴胺聚合形成表面组装一层六氯环三磷腈的聚多巴胺纳米球，在氯化钴溶液中浸泡引入钴离子，冷冻干燥后在惰性气氛中煅烧，获得磷化二钴纳米颗粒/氮磷掺杂碳纳米球复合材料。

技术领域

本发明属于电催化材料技术领域，具体涉及一种Co₂P纳米颗粒/氮磷掺杂碳纳米球复合材料及其制备方法。

背景技术

金属-空气电池具有比能量高、安全性好、性能稳定等优点，然而制约其能量转换效率的关键因素是其正极氧气还原反应(ORR)缓慢的反应动力学。尽管商业Pt/C催化剂具有优异的ORR电催化活性，但成本高、稳定性低的问题使其不能大规模应用。因此，研发低成本、高性能的非贵金属ORR电催化剂，是提高金属-空气电池能量转换效率，促进其商业化发展的必经之路。

得益于过渡金属的多重化合价态和优异的电子授受能力，过渡金属化合物成为最常研究的非贵金属ORR电催化剂，例如氧化物、氮化物、磷化物、硫化物等。但是他们均为半导体材料，往往需要与导电碳基体复合，以实现电催化过程中快速的电子传输。其中，最高效的复合方式是将化合物以细小纳米粒子的形式负载在碳基体中，使其更充分地与电解质接触并且维持活性位点的分散性。然而，实现这一设计并不容易，特别对于氮化物、磷化物、硫化物等，一般通过先制备氧化物、氢氧化物，在经过后续氮化、磷化、硫化等，工艺繁琐，且高温转变过程容易发生晶粒长大和形貌演变，难以获得细小、牢固负载的颗粒。因此，开发一种原位生成氮化物、磷化物、硫化物细小纳米晶并在碳基体中牢固负载的方法非常重要。

另外，对于碳基体，引入N、P、S等杂原子，可进一步提高电催化性能。如果能在原位生成化合物纳米晶的过程中在碳基体中引入杂原子，对获得高性能电催化剂具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的问题和不足，提供一种Co₂P纳米颗粒/氮磷掺杂碳纳米球复合材料及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种磷化二钴纳米颗粒/氮磷掺杂碳纳米球复合材料，由基体内部分散有Co₂P纳米颗粒的氮磷掺杂碳纳米球构成，其中Co₂P纳米颗粒的直径为5～20nm，占复合材料总质量的0.1～15wt％，作为基体的氮磷掺杂碳纳米球的直径为150～350nm。

为达到上述目的，本发明采用如下另一技术方案予以实现。

一种磷化二钴纳米颗粒/氮磷掺杂碳纳米球复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)微乳液前驱物的配制

将多巴胺和F127共同溶解于水和乙醇混合溶剂中作为溶液A，其中水和乙醇的体积比为1:0.5～2，溶解之后多巴胺的质量浓度为2～10g L^-1，F127的质量浓度为5～15g L^-1；将六氯环三磷腈溶解于均三甲苯中作为溶液B，溶解之后六氯环三磷腈的质量浓度为100～150g L^-1；将溶液B缓慢加入溶液A，控制溶液B和溶液A的体积比为1:50～100，充分搅拌形成微乳液。

(2)聚合-自组装获得表面富氮磷的聚多巴胺纳米球