[发明专利]一种碳层包覆钴锌合金复合材料催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳层包覆钴锌合金复合材料催化剂及其制备方法，具体涉及碳层包覆钴锌合金复合材料作为锌‑空气电池阴极催化剂及其制备方法，属于电化学储能电池技术领域。所述催化剂采用硝酸钴、硝酸锌、三聚氰胺和尿素为原料，通过调控金属氢氧化物和碳源的比例，成功制备出金属锌‑空气电池用的碳层包覆钴锌合金纳米复合材料，该纳米复合材料包括载体及负载于所述载体上的核壳结构，所述核壳结构的壳层为含有氮和氧的石墨化碳层，核壳结构的内核为过渡金属纳米颗粒，通过以过渡金属为内核构建核壳结构，并负载于载体上形成纳米复合材料，使纳米复合材料的传质效率及强度均得到提高，并使材料具有较好的形态，可更好的应用于锌‑空气电池。此外，该纳米复合材料还可以为具有丰富介孔或同时具有微孔和介孔的多级孔结构材料，有利于在更多应用，特别是催化领域的应用中，更好地发挥作用。

技术领域

本发明属于电化学储能电池技术领域，具体涉及一种碳层包覆钴锌合金复合材料催化剂及其制备方法，更具体地，涉及一种碳层包覆钴锌合金复合材料作为锌-空气电池阴极催化剂及其制备方法。

背景技术

金属-空气电池是一种高能量密度、零排放无污染的新型能量转换装置，具有广阔的应用前景。由于其综合性能受限于发生在阴极的氧还原(ORR)反应的反应速率，需要高ORR催化活性催化剂加快阴极反应。目前性能优异的商业化催化剂为贵金属Pt基催化剂，但其昂贵的价格及资源稀缺等问题严重限制着金属-空气电池的商业化进程，急需开发来源广泛、廉价、高活性ORR催化剂代替贵金属Pt。

对于导电性好、廉价、电化学稳定性好、来源广泛的碳包覆非贵金属材料，提升其ORR催化性能而应用于金属-空气电池中是一个重要课题。近期研究发现，利用碳层包覆金属纳米颗粒可以大大增加材料的ORR催化活性，在碱性条件下有取代商业化Pt/C的潜力。例如，将金属纳米颗粒封装到碳壳中形成一种铠甲催化剂，高温热解过程中锌制造多孔结构促进碳层的活性，从而使ORR催化活性有了极大的提高，并且通过理论计算证实了这一结果。目前，可以通过调节金属纳米颗粒的种类和数量以及碳层的活性来提高其ORR催化性能。

双金属氢氧化物是一类由两种或两种以上金属元素组成的金属氢氧化物，结构由主层板和层间的阴离子及水分子相互交叠构成。由于特定其组成，如层板上的金属离子的种类与比例、阴离子的种类等，易于调变、结构，如层数、层间距等易于裁剪、并且易于与其他材料复合实现功能化等优点，LDHs在超级电容器、二次电池及电催化等能源转换和电化学储能中表现出良好的应用前景。

专利申请CN113410475A公开了一种高载量的石墨化碳层包覆过渡金属纳米颗粒催化剂及其制备方法。所述石墨碳层包覆过渡金属纳米颗粒催化剂由碳基底上分布着多孔碳网络锚定的核-壳结构的纳米颗粒构成。相对上述专利申请，本发明在前驱体的制备过程中，不需要将其负载在石墨烯基底上，也不需要添加其他的碱性水溶液作为沉淀剂，另外，在制备石墨化碳层的时候，本发明不需要添加任何的高分子聚合物，直接利用三聚氰胺为碳源，三聚氰胺在热解过程中产生的含碳气体，在金属催化作用下会形成碳结构，一次热处理即可得到碳层包覆的钴锌合金复合材料，相比上述申请进行二次热处理的方法更为简便。

另外，目前商业化用于金属-空气电池的阴极ORR催化剂为贵金属Pt基催化剂(Pt/C、Pt/过渡金属合金)，因其价格昂贵限制了此类器件的大规模推广和应用。因此，开发廉价、高性能的ORR催化剂对金属-空气电池的大规模推广应用具有重要的意义。本制备方法简单，原料是硝酸钴、硝酸锌、三聚氰胺和尿素，制得的碳包覆钴锌催化剂性能优异，可与商业用的Pt/C催化剂媲美，是非常有前景的金属-空气电池阴极催化剂。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明首先公开了利用硝酸钴、硝酸锌、尿素、三聚氰胺作为原料，制备了具有高ORR催化活性的碳层包覆钴锌合金复合材料作为锌-空气电池阴极催化剂，其中硝酸锌和硝酸钴制备而成的钴锌氢氧化物粉末和三聚氰胺的质量比为1:2.5～1:10；

优选地，钴锌氢氧化物粉末和三聚氰胺的质量比为1:5。