[发明专利]一种氮掺杂碳包覆四氧化三钴@钴非贵金属氧还原催化剂的制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳包覆四氧化三钴@钴非贵金属氧还原催化剂的制备方法与应用，是先以表面活性剂与含锌、钴、铁、锰或镍的无机金属盐的混合溶液与钴氰化钾溶液经共沉淀反应得到有机金属框架前驱体，再对前驱体进行碳化处理和热处理，从而获得催化剂。本发明所提供的氮掺杂碳包覆Co₃O₄@Co非贵金属氧还原催化剂可作为燃料电池及金属空气电池阴极催化剂，其氧还原催化性能接近商用铂碳催化剂，且本发明的制备方法简单、成本低廉。

技术领域

本发明属于催化剂领域，具体涉及一种氮掺杂碳包覆Co₃O₄@Co氧还原催化剂的制备方法及应用。

背景技术

近年来，作为国民经济基础的化石燃料面临日益枯竭的考验，对可再生和可持续能源转换和储存的需求不断增加，因而具有良好应用前途的燃料电池和金属空气电池引起广泛研究关注。燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的装置，它具有能量转化效率高、环境友好、操作温度低、比功率与比能量高等突出特点。金属空气电池因其能量高、成本低、安全性能好以及绿色环保等独特优势，具有优异的研究潜力以及商业化基础。目前而言，燃料电池及金属空气电池均需要铂基等贵金属催化剂提高正极的氧还原活性，铂等贵金属成本高、储量稀少，这严重阻碍了燃料电池及金属空气电池的商业化步骤，因此迫切需要发展非贵金属氧还原催化剂。

近年来国内外对氧还原催化剂的研发进行了大量的研究，大体上可分为以下几类：贵金属基催化剂，碳基复合材料和各类过渡金属基化合物等。其中，氮掺杂碳包覆过渡金属基材料表现出优异的氧还原活性，但是其制备方法较为复杂，耗费大量资源，同时催化剂的形貌结构难以控制，容易形成团聚，导致催化剂的活性较差，不利于催化剂的有效商业化生产。

发明内容

基于上述现有技术所存在的不足之处，本发明旨在提供一种低成本、组分可控、性能优异、工艺简单的氮掺杂碳包覆四氧化三钴@钴非贵金属氧还原催化剂的制备方法。

本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：

一种氮掺杂碳包覆四氧化三钴@钴非贵金属氧还原催化剂的制备方法，包括如下步骤：

1)将表面活性剂与含锌、钴、铁、锰和镍的无机金属盐中的至少一种溶于去离子水中，获得溶液A；将钴氰化钾溶于去离子水中，获得溶液B：将溶液A滴加到溶液B中，经共沉淀、洗涤和干燥，得到有机金属框架前驱体；

2)将步骤1)所得有机金属框架前驱体先在惰性气氛下进行碳化处理，再在空气环境下进行热处理，即获得氮掺杂碳包覆Co₃O₄@Co非贵金属氧还原催化剂。

进一步地，步骤1)中，所述表面活性剂选自聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠和十八烷基硫酸钠中的至少一种。

进一步地，步骤1)中，所述表面活性剂与所述钴氰化钾的质量比为0.8:0.25-0.3，所述无机金属盐中的金属离子与所述钴氰化钾中钴离子的摩尔比为3:1.5-2.5。

进一步地，步骤2)中，所述惰性气氛为氮气、氩气和氦气中的至少一种。

进一步地，步骤2)中，所述碳化处理的条件为：升温速率为1℃/min-10℃/min，碳化温度为500℃-1000℃，碳化时间为1小时-5小时。

进一步地，步骤2)中，所述热处理的条件为：升温速率为0.5℃/min-10℃/min，热处理温度为200℃-400℃，热处理时间为10小时-20小时。