[发明专利]一种碳-氮复合物包覆的镍-钴-铁/碳-氮材料的制备方法及其应用

摘要

本发明公开了一种碳‑氮复合物包覆的镍‑钴‑铁/碳‑氮材料的制备方法，包括步骤：(1）制备含明胶的镍、钴和亚铁离子乙二胺络合物的混合物；（2）将三聚氰胺分散于该混合物中形成催化剂前驱体‑1；(3）将催化剂前驱体‑1分步热解，得到催化剂前驱体‑2；(4）在催化剂前驱体‑2的表面修饰聚多巴胺，随后热解，得到一种碳‑氮复合物包覆的镍‑钴‑铁/碳‑氮材料。本发明首先将镍、钴和亚铁离子的乙二胺络合物按一定比例掺杂进入碳‑氮复合物结构中，这些金属相互之间的协同效应也极大地提高了催化剂的电活性；采用分步热解使氮以原位方式高效率掺入碳结构中；通过在催化剂颗粒表面形成碳‑氮复合物保护层，极大提高了催化剂的稳定性和电催化活性。

主权项

1.一种碳‑氮复合物包覆的镍‑钴‑铁/碳‑氮材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：（1）配制含有醋酸亚铁 (Fe(CH3COO)2×4H2O)、醋酸镍 (Ni(CH3COO)2×4H2O)与醋酸钴(Co(CH3COO)2×4H2O)的混合盐的水溶液，接着往该水溶液中缓慢加入乙二胺，在室温下搅拌；随后加入明胶，所得溶液加热至50oC并搅拌，直到形成均匀的混合物；所述水溶液中，镍离子、亚铁离子和钴离子总的含量为0.5 ~ 5 wt%；所述水溶液中，镍离子、亚铁离子和钴离子的质量比为1:（0.1~0.2）：（0.2~0.8）；所述乙二胺的加入量为镍离子、亚铁离子和钴离子总质量的3倍；所述明胶的加入量为：明胶在水溶液中的质量百分比为0.5 ~ 10 %；（2）往上述混合物中加入三聚氰胺，充分搅拌，使三聚氰胺完全分散于溶液中，形成均匀悬浮液；随后，将该悬浮液80oC真空条件下蒸干，形成的固体物质在40oC下真空干燥，得到催化剂前驱体‑1；所述三聚氰胺的加入量为：三聚氰胺在混合物中的质量百分比为5 ~ 50 %；（3）将上述催化剂前驱体‑1转入反应容器中，通入氮气，以5oC min‑1的速度升温至300 oC ~ 500 oC，在此温度下保持一定时间；接着，以相同的升温速度继续升温至800 oC ~ 1000 oC，在此温度下保持一定时间；随后自然冷却至室温，得到催化剂前驱体‑2；（4）将异丙醇和水按1:2体积比组成混合溶剂，随后加入三（羟甲基）胺基甲烷，充分搅拌后形成均匀溶液，使三（羟甲基）胺基甲烷与混合溶剂的质量(g):体积(mL)=1:1000；随后将上述催化剂前驱体‑2加入到该均匀溶液中，所得混合物超声处理后，再加入多巴胺，继续在室温下充分搅拌；之后将混合物过滤，水洗，所得固体在40oC的真空干燥，得到催化剂前驱体‑3；所述催化剂前驱体‑2与均匀溶液的质量(g):体积(mL)=1:500；多巴胺与催化剂前驱体‑2的质量比为（0.2 ~ 10）:1；（5）将上述催化剂前驱体‑3转入反应容器中，通入氮气，以5oC min‑1的速度升温至850 oC，在此温度下保持一定时间，随后自然冷却至室温，得到催化剂。