[发明专利]二维Co/Co9

说明书

本发明公开了二维Co/Co₉S₈@NC纳米片复合材料及其制备方法和应用，该复合材料由钴前驱体与2‑甲基咪唑通过简单的自组装合成二维叶状咪唑酯骨架，随后二维叶状咪唑酯骨架与含S、N的螯合剂配位形成具有N，S掺杂的核壳结构的前驱体，经过煅烧最终制得。该复合材料借助氮元素和硫元素的掺杂效应及其协同作用，增加了复合材料的活性位点，在应用于锌空气电池的阴极时，在比容量、最大功率密度及电流稳定性方面展现了优异的性能，同时本发明成本价格低廉、制备方法工艺简单，适宜规模化生产，具有较好的应用前景。

技术领域

本发明属于电池电极纳米材料技术领域，具体涉及一种二维Co/Co₉S₈@NC纳米片复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

能源是人类社会发展的基石，伴随着工业化程度的提高，人类对能源的需求不断增加。人们迫切需要绿色、无污染的可再生能源来替代传统的化石燃料，这也是当今各国可持续发展的重要战略之一。然而，以太阳能、风能、潮汐能为代表的新能源在时间上不稳定，在空间上不连续，具有随机性、波动性，无法满足功率平滑的要求。因此，清洁、高效的能量储能与转化装置成为了新能源开发的核心。能源短缺和环境污染使开发和研究可持续、可再生的电化学能源转化与存储技术成为当今世界最为重要的研究领域之一。其中，可充电金属-空气电池因具有成本低、环境友好、安全性能高等优势而受到广泛关注。在金属-空气电池的候选者中，锌空气电池的理论能量密度高达1086Wh/kg，是当前锂离子电池能量密度的5倍，并且已广泛应用于医疗和通信等领域，例如微型助听器和无线消息装置。在放电过程中，空气电极作为阴极，氧气扩散到电极内部，在催化剂的作用下发生氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction，简称为ORR)；充电过程中，空气电极作为阳极，在电极表面发生析氧反应(Oxygen Evolution Reaction，简称为OER)，相对于阳极反应，阴极氧还原/析氧反应的动力学过程缓慢，严重阻碍了锌空气电池大规模商业化应用。

在锌空气电池中，制约其发展的主要因素是电极催化剂材料，催化剂是锌空气电池的核心组成部分，也是决定电池成本和性能的关键材料。目前应用的催化剂主要是贵金属基催化剂(Pt基，Ir基等)，这类催化剂储量低，价格昂贵，并且难以同时具有ORR和OER双功能，因此开发一种价格低廉同时具有优异的ORR和OER双功能的催化剂是锌空气电池催化剂合成技术领域中有待解决的重要问题之一。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种二维Co/Co₉S₈@NC纳米片复合材料，该复合材料具有良好的锌空气电池ORR和OER双功能催化性能；本发明的第二目的是提供上述二维Co/Co₉S₈@NC纳米片复合材料的制备方法，该制备方法工艺简单、成本低，适宜规模化生产；本发明的第三目的是提供上述二维Co/Co₉S₈@NC纳米片复合材料作为电催化剂在锌空气电池阴极反应中的应用。

技术方案：本发明所述的技术方案是提供二维Co/Co₉S₈@NC纳米片复合材料，所述二维Co/Co₉S₈@NC纳米片复合材料由钴前驱体与2-甲基咪唑在水相中通过简单的自组装合成二维叶状咪唑酯骨架，随后二维叶状咪唑酯骨架与含S、N的螯合剂配位形成N，S掺杂的具有核壳结构的前驱体，经过煅烧热解最终制得。

进一步的，所述复合材料为二维纳米片状结构。

本发明的二维Co/Co₉S₈@NC纳米片复合材料的制备方法，具体制备步骤如下：

(1)将钴前驱体、2-甲基咪唑分别溶解于水中，将两溶液混合得混合溶液A；

(2)将混合溶液A室温下搅拌反应1-3h至反应完全，反应后离心或过滤，干燥得二维叶状咪唑酯骨架；