[发明专利]一种内层碳镶嵌金属纳米颗粒的碳空心球的制备方法及其应用

摘要

本发明公开了一种内层碳镶嵌镍钴纳米颗粒的氮掺杂碳空心球电催化剂的制备方法：首先利用水热法，制备含氧碳层包覆的金属氧化物颗粒；接着，将聚多巴胺沉积于含氧碳层外表面；随后高温热解，聚多巴胺热解形成碳‑氮复合物，并结合在含氧碳层的结构中，形成氮掺杂的碳‑氮复合物层。而最里层的部分镍‑钴氧化物被高温热解产生的碳还原，形成金属单质镍和钴，它们从里向外镶嵌进入碳‑氮复合物的结构中，从而在里层形成空腔结构，导致了一种外层碳氮复合物包覆、内层碳镶嵌金属纳米颗粒的碳空心球。本发明的材料对氧还原反应的电催化活性高度稳定，可以反复循环使用，作为阴极材料在锌‑空气电池领域具有重要应用。

主权项

1.一种内层碳镶嵌金属纳米颗粒的碳空心球的制备方法，其特征是，包括以下步骤：（1）将二价镍盐和二价钴盐溶于聚乙二醇的水溶液中，在不断搅拌下用1 mol×L NaOH 溶液将溶液 pH 调至10，随后加入葡萄糖，搅拌，使混合物形成均匀溶液；最后，将溶液移至聚四氟乙烯内衬的反应容器中，在 180℃下反应，冷却，过滤，所得固体用水洗，40oC下真空干燥，得到含氧碳层(用COC表示)包覆的镍钴氧化物（用NiCo‑Ox表示），记为NiCo‑Ox@COC；所述二价镍盐为醋酸镍 (Ni(CH3COO)2×4H2O)，或硝酸镍（Ni(NO3)2·6H2O），或氯化镍（NiCl2·6H2O）；所述二价钴盐为醋酸钴(Co(CH3COO)2×4H2O)，或硝酸钴（Co(NO3)2·6H2O），或氯化钴（CoCl2·6H2O）；所述二价镍盐与二价钴盐在均匀溶液中总的质量根据二价镍离子与二价钴离子的总质量确定：二价镍离子与二价钴离子在均匀溶液中的总质量为0.8 ~ 2.5 wt%；所述均匀溶液中，镍盐与钴盐的质量比根据二价镍离子与二价钴离子的质量比确定：二价镍离子与二价钴离子的质量比为1:（0.5 ~3）；所述聚乙二醇的水溶液中，聚乙二醇的质量百分含量为2 ~ 10 wt%；所述均匀溶液中，葡萄糖的质量百分含量为5 ~ 15wt%；（2）按通常方法，由磷酸二氢钾和磷酸氢二钾配制磷酸根离子浓度为0.2 mol·L‑1、pH=7的PBS缓冲溶液；将多巴胺溶于PBS缓冲溶液中，得到溶液A；将过硫酸铵溶于PBS缓冲溶液中，得到溶液B；将上述步骤（1）的NiCo‑Ox@COC颗粒与PBS缓冲溶液混合，充分搅拌，形成均匀分散液；随后将溶液A加入到该分散液中，缓慢搅拌均匀后，再加入溶液B，继续保持缓慢搅拌，过滤，水洗，40oC下真空干燥，得到聚多巴胺修饰的含氧碳层包覆的镍钴氧化物，记为NiCo‑Ox@COC@PDA；所述溶液A中，多巴胺的浓度为3 ~ 50 mg·mL‑1；所述溶液B中，过硫酸铵的浓度为5 ~ 86 mg·mL‑1；所述均匀分散液中，NiCo‑Ox@COC颗粒与PBS缓冲溶液的质量体积比为1mg:（1~5mL）；（3）将上述NiCo‑Ox@COC@PDA颗粒转入反应容器中，通入氮气，以4oC×min‑1的加热速度升温到850oC，并在此温度下保持一定时间，随后自然冷却至室温，得到内层碳镶嵌金属纳米颗粒的碳空心球。