氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备方法及应用

摘要

本发明提供了一种氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备方法及应用，其制备方法包括如下步骤：按照比例将碳源前驱体、氮源前驱体及过渡金属离子的可溶性盐均匀分散在溶剂中，随后干燥得到固体粉末前驱体，将固体粉末前驱体在保护气氛下煅烧，得到黑色粉末，即得所述复合材料。所述复合材料具有高效的氧还原催化性能，可应用于质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、金属-空气电池等的空气电极催化剂。该催化剂的优势在于，孔道结构为热处理过程中产生，分散均匀；碳源、氮源、金属源有相互作用可稳固活性元素，有效提高催化活性。所制备的复合材料相较于商业碳为碳源的催化剂具有更好的氧还原催化活性，是一种高效的非贵金属氧还原催化剂。

权利要求

1.一种氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A、将碳源、氮源、可溶性钴盐均匀分散在溶剂中形成透明溶液；

B、将所述透明溶液干燥去除水分得到粉末固体前驱体；

C、将所述粉末固体前驱体在保护气氛下进行热处理，得到所述氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料。

2.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤A中，所述碳源为氨基羧酸或羟基羧酸中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤A中，所述碳源包括柠檬酸、乙二胺四乙酸中的一种或两种。

4.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤A中，所述氮源包括氰胺、二氰二胺、三聚氰胺、尿素、硫脲中的一种。

5.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤A中，所述可溶性钴盐包括乙酸钴、硝酸钴、氯化钴、草酸钴、硫酸钴中的一种。

6.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤A中，所述溶剂包括水、乙醇、甲醇、异丙醇中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤A中，所述碳源、氮源和可溶性钴盐的摩尔质量比为10:10:1～10:30:1。

8.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤C中，所述保护气氛为氮气、氩气、氨气、氢氩混合气中的一种；所述热处理的温度为800～1000℃，热处理的时间为1～5h。

9.一种氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料，其特征在于，所述复合材料采用如权利要求1～8中任一项所述的制备方法制备而成。

10.一种根据权利要求9所述的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料在空气电极催化剂中的应用，所述应用具体包括在质子交换膜燃料电池、燃料电池或金属-空气电池的氧还原催化剂材料中的应用。

说明书

氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备方法及应用

技术领域

[0001] 本发明属于电化学能源领域，具体地，涉及一种氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备方法及应用。

背景技术

[0002] 当前全球正面临着化石能源短缺以及愈发严峻的环境问题，而能源发展关系到经济和社会的发展，为了解决能源危机和环境污染的问题，必须发展能够可持续发展的绿色能源，优化能源结构，提升能效。

[0003] 燃料电池以及金属-空气电池具有清洁无污染、能量密度高、转换效率高等优点得到广泛关注，具有极大的发展潜力。然而在这类电池中氧还原反应动力学缓慢，需要高效催化剂的应用加快其反应动力学。因此阴极氧还原催化剂的成为了制约氧燃料电池和金属-空气电池等发展的关键因素。常用的铂基催化剂具有优秀的氧还原催化活性和四电子选择性，以及在强酸性电解质中的稳定性。但是铂储量少、资源短缺，价格昂贵，目前铂基催化剂成本约占燃料电池电堆成本的41％。

[0004] 为了降低氧还原催化剂的成本，主要有以下三种方法：1、通过优化Pt结构形貌等提高利用率，采用超低铂降低载量提升至相近性能；2、通过其他贵金属替代Pt的使用，如Pd，Ir等贵金属复合物；3、通过采用非贵金属(一般为过渡金属)替代使用，主要有过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、钙钛矿类多金属催化剂、过渡金属掺杂氮修饰的碳基催化剂等，其中过渡金属掺杂氮修饰的碳基催化剂氧还原性能良好，来源丰富，成本低廉，有望成为优秀的Pt基催化剂的替代品。然而由于一般前驱体煅烧过程中原子间相互作用不强，碳单纯作为载体功能存在，氮的掺入也较少，会流失一部分活性位点。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备方法及应用。本发明的方法操作简单易行，采用溶液法一步合成具有高效的氧还原催化性能的复合材料。该方法原位生长金属-氮-碳活性组分，溶液混合过程中，采用柠檬酸、乙二胺四乙酸等具有较强的螯合作用的螯合剂作为碳源，一方面可以鳌合金属离子，固定金属颗粒生长位点，另一方面其羧基与氮源中的氨基相互间具有静电作用，富余的氮原子对金属离子有一定的吸附作用，因此可以有效稳固该类催化剂中的活性元素，有利于活性位的生长。此外，采用热处理过程中会大量释放气体的碳源和氮源作为前驱体，可以形成丰富且均匀分散的孔道结构，同时将活性物质生成在孔道表面，提高活性位点利用率，并且孔道结构的存在对后期应用中氧气或空气的扩散具有重要意义，可以作为气体传输通道，从而使氧气与通道中的活性物质反应，大大提高材料氧还原催化活性。金属纳米颗粒包覆在多孔碳中，可以保护金属纳米颗粒不被腐蚀，提高材料的稳定性。

[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

[0007] 第一方面，本发明提供一种氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备方法，包括以下步骤：

[0008] A、将碳源、氮源、可溶性钴盐均匀分散在溶剂中形成透明溶液；

[0009] B、将所述透明溶液干燥去除水分得到粉末固体前驱体；

[0010] C、将所述粉末固体前驱体在保护气氛下进行热处理，得到所述氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料。

[0011] 优选地，在步骤A中，所述碳源为氨基羧酸或羟基羧酸中的至少一种。

[0012] 优选地，在步骤A中，所述碳源包括柠檬酸、乙二胺四乙酸中的一种或两种。采用上述碳源不仅对金属离子有螯合作用，并且对氨基有静电作用。

[0013] 优选地，在步骤A中，所述氮源包括氰胺、二氰二胺、三聚氰胺、尿素、硫脲中的一种。

[0014] 优选地，在步骤A中，所述可溶性钴盐包括乙酸钴、硝酸钴、氯化钴、草酸钴、硫酸钴中的一种。

[0015] 优选地，在步骤A中，所述溶剂包括水、乙醇、甲醇、异丙醇中的一种或几种。

[0016] 优选地，在步骤A中，所述碳源、氮源和可溶性钴盐的摩尔质量比为10:10:1～10:30:1。选择上述摩尔质量比使得：一方面要有足够的氮源加入以掺杂氮元素，另一方面氮源不能过多全部覆盖羧基导致没有羧基可以鳌合金属离子，平衡这两点的中间摩尔质量比得到的催化剂性能最优。

[0017] 优选地，在步骤B中，所述干燥的方式包括在搅拌条件下油浴蒸干、减压旋转蒸发中的一种。

[0018] 优选地，在步骤C中，所述保护气氛为氮气、氩气、氨气、氢氩混合气中的一种。其中，氨气还可用作热处理气氛进一步掺杂。

[0019] 优选地，在步骤C中，所述热处理的温度为800～1000℃，热处理的时间为1～5h。热处理若低于800℃，氮元素不能完全有效掺杂进入碳的晶格，若高于1000℃会导致材料的进一步分解，氮元素生成HCN等气体从体系中流失导致含量下降。

[0020] 本发明提高前驱体原子间作用，采用热处理中产生气体从而形成孔道结构的含碳化合物作为碳源，可以有效促进活性位点生成且提高利用率，同时能提供气体传输的有效通道，从而进一步提高氧还原性能。

[0021] 第二方面，本发明提供一种氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料，所述复合材料采用上述制备方法制备而成。

[0022] 第三方面，本发明提供一种氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料在空气电极催化剂中的应用，所述应用具体包括在质子交换膜燃料电池、燃料电池或金属-空气电池的氧还原催化剂材料中的应用。

[0023] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0024] 1、本发明的方法原料成本低廉，合成操作简单易行，采用溶液法一步合成具有高效的氧还原催化性能的复合材料。通过碳、氮、钴之间的相互作用有效稳固该类催化剂中的活性元素。此外，热处理过程中会大量释放气体，形成均匀分散的孔道结构，有利于活性位的负载和后期应用中氧气的传输，大大提高材料氧还原催化活性。金属纳米颗粒包覆在多孔碳中，可以保护金属纳米颗粒不被腐蚀，提高材料的稳定性。

[0025] 2、本发明中柠檬酸、乙二胺四乙酸具有较强的螯合作用，一方面可以鳌合金属离子，固定金属颗粒生长位点，另一方面其羧基与氮源中的氨基具有静电作用，相比于一般的碳载体材料可以更好的稳固活性元素在相近位置，有利于活性位的生长。此外，这类小分子碳源在热处理产生碳氧化物等气体，形成丰富且均匀分散的孔道结构。

附图说明

[0026] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0027] 图1为本发明实施例1中制得的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的XRD图谱；

[0028] 图2为本发明实施例1中制得的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的TEM照片；

[0029] 图3为本发明实施例1中制得的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料与普通商业碳负载钴纳米颗粒复合材料的循环伏安曲线对比；

[0030] 图4为本发明实施例1中制得的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料与普通商业碳负载钴纳米颗粒复合材料1600rpm下的极化曲线对比。

具体实施方式

[0031] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0032] 以下各实施例的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的基本制备步骤为：

[0033] A、将碳源、氮源、可溶性钴盐均匀分散在溶剂中形成透明溶液；

[0034] B、将所述透明溶液干燥去除水分得到粉末固体前驱体；

[0035] C、将所述粉末固体前驱体以程序升温方式在保护气氛下进行热处理，即得到氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料。

[0036] 在步骤A中，所述碳源为氨基羧酸或羟基羧酸中的至少一种，具体地，包括柠檬酸、乙二胺四乙酸中的一种或两种。

[0037] 在步骤A中，所述氮源包括氰胺、二氰二胺、三聚氰胺、尿素、硫脲中的一种。

[0038] 在步骤A中，所述可溶性钴盐包括乙酸钴、硝酸钴、氯化钴、草酸钴、硫酸钴中的一种。

[0039] 在步骤A中，所述溶剂包括水、乙醇、甲醇、异丙醇中的一种或几种。

[0040] 在步骤A中，所述碳源、氮源和可溶性钴盐的摩尔质量比为10:10:1～10:30:1。

[0041] 在步骤B中，所述干燥的方式包括在搅拌条件下油浴蒸干、减压旋转蒸发中的一种。

[0042] 在步骤C中，所述保护气氛为氮气、氩气、氨气、氢氩混合气中的一种；所述热处理的温度为800～1000℃，热处理的时间为1～5h。

[0043] 实施例1

[0044] 本实施例的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备步骤如下：

[0045] 1、采用电子天平称取1.245g四水合乙酸钴溶解于100mL去离子水中，搅拌30min，形成透明溶液；

[0046] 2、称取4.2g二氰二胺加入上述步骤1的溶液中，同时加热至80℃，搅拌直至二氰二胺完全溶解形成透明溶液；

[0047] 3、称取10.5g一水合柠檬酸，溶解于上述步骤2的溶液中，继续搅拌6h；

[0048] 4、将上述步骤3制备的溶液在120℃下蒸干；

[0049] 5、将步骤4得到的固体放入管式炉中，在高纯氮气保护氛围下，900℃烧5h得到黑色粉末样品，即为氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料。

[0050] 将所制得的试样进行各项特性测试，结果参见图1、2、3、4：

[0051] XRD分析：参见图1，在日本Rigaku D/max-2550型X射线衍射仪上进行，采用CuKα衍射，从图中可知，氮掺杂多孔碳中包覆的金属纳米颗粒组分为Co单质；

[0052] TEM分析：参见图2，采用日本电子株式会社JSM-2010F型透射电子显微镜观察材料形貌，从TEM图片可以看到氮掺杂多孔碳中包覆金属纳米颗粒；

[0053] 氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料作为一种氧还原催化剂，测量材料的电化学性能，如图3和4所示，图中所述Co-DCD-CA-900和Co-DCD-EC-900分别代表实施例1制备的催化剂和用相同摩尔比例的EC 300J替代一水合柠檬酸作为碳源得到的普通商业碳负载钴纳米颗粒催化剂，在0.1M HClO4电解质溶液中进行循环伏安和线性扫描测试，从结果可以看到氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料具有更好的氧还原活性，循环伏安展现更高的氧还原峰电位和电流，线性扫描曲线中，实施例1制备的催化剂半波电位为0.73V，高于普通商业碳负载钴纳米颗粒催化剂的半波电位0.52V。

[0054] 实施例2

[0055] 本实施例的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备步骤如下：

[0056] 1、采用电子天平称取1.245g四水合乙酸钴溶解于100mL去离子水中，搅拌30min，形成透明溶液；

[0057] 2、称取8.4g二氰二胺加入上述步骤1的溶液中，同时加热至80℃，搅拌直至二氰二胺完全溶解形成透明溶液；

[0058] 3、称取10.5g一水合柠檬酸，溶解于上述步骤2的溶液中，继续搅拌6h；

[0059] 4、将上述步骤3制备的溶液在120℃下蒸干；

[0060] 5、将步骤4得到的固体放入管式炉中，在高纯氮气保护氛围下，900℃烧5h得到黑色粉末样品，即为氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料。

[0061] XRD与TEM表征与实施例1相近，氧还原性能测试半波电位为0.75V。

[0062] 实施例3

[0063] 本实施例的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备步骤如下：

[0064] 1、采用电子天平称取1.245g四水合乙酸钴溶解于100mL去离子水中，搅拌30min，形成透明溶液；

[0065] 2、称取4.2g二氰二胺加入上述步骤1的溶液中，同时加热至80℃，搅拌直至二氰二胺完全溶解形成透明溶液；

[0066] 3、称取10.5g一水合柠檬酸，溶解于上述步骤2的溶液中，继续搅拌6h；

[0067] 4、将上述步骤3制备的溶液在120℃下蒸干；

[0068] 5、将步骤4得到的固体放入管式炉中，在高纯氮气保护氛围下，800℃烧5h得到黑色粉末样品，即为氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料。

[0069] XRD与TEM表征与实施例1相近，氧还原性能测试表现半波电位为0.71V。

[0070] 实施例4

[0071] 本实施例的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备步骤如下：

[0072] 1、采用电子天平称取0.727g六水合硝酸钴溶解于100mL去离子水中，搅拌30min，形成透明溶液；

[0073] 2、称取6.3g三聚氰胺加入上述步骤1的溶液中，同时加热至80℃，搅拌直至三聚氰胺完全溶解形成透明溶液；

[0074] 3、称取14.6g乙二胺四乙酸，溶解于上述步骤2的溶液中，继续搅拌6h；

[0075] 4、将上述步骤3制备的溶液在120℃下蒸干；

[0076] 5、将步骤4得到的固体放入管式炉中，在高纯氩气保护氛围下，1000℃烧1h得到黑色粉末样品，即为氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料。

[0077] 由此制备的多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料各项特性测试结果与实施例1相近。

[0078] 对比例1

[0079] 本对比例的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备步骤与实施例1基本一致，不同之处仅在于：本对比例的步骤3中，采用醋酸代替一水合柠檬酸。

[0080] 由此步骤无法制备得到多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料。

[0081] 对比例2

[0082] 本对比例的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备步骤与实施例1基本一致，不同之处仅在于：本对比例的步骤1中，四水合乙酸钴的质量为2.5g。

[0083] 由此制备的多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料中钴颗粒大，氧还原性能活性远远低于实施例1中的结果。

[0084] 对比例3

[0085] 本对比例的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备步骤与实施例1基本一致，不同之处仅在于：本对比例的步骤5中，热处理为700℃烧5h。

[0086] 由此制备的多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料中氮含量过低，氧还原性能活性远远低于实施例1中的结果。

[0087] 对比例4

[0088] 本对比例的氮掺杂多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料的制备步骤与实施例1基本一致，不同之处仅在于：本对比例的步骤3中，一水合柠檬酸的质量为12.6g。

[0089] 由此制备的多孔碳包覆钴纳米颗粒的复合材料中氮含量低，氧还原性能活性低于实施例1中的结果。

[0090] 综上所述，本发明的方法原料成本低廉，合成操作简单易行，采用溶液法一步合成具有高效的氧还原催化性能的复合材料。通过碳、氮、铁之间的相互作用有效稳固该类催化剂中的活性元素。此外，热处理过程中会大量释放气体，形成均匀分散的孔道结构，有利于活性位的负载和后期应用中氧气的传输，大大提高材料氧还原催化活性。金属纳米颗粒包覆在多孔碳中，可以保护其不被腐蚀，提高材料的稳定性。

[0091] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。