一种N-P共掺杂多孔碳包覆NiCo2O4的氧还原催化剂及其制法转让专利
申请号 : CN202010039837.2
文献号 : CN111244483B
文献日 : 2021-06-15
发明人 : 朱旭烈
申请人 : 先进能源产业研究院(广州)有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种N‑P共掺杂多孔碳包覆NiCo2O4的氧还原催化剂,包括以下按重量份数计的配方原料,其特征在于:15‑34份纳米NiCo2O4、25‑30份β‑环糊精、9‑14份三聚氰胺、5‑8份植酸、
12‑16份缩合剂、15‑18份复合碱催化剂;所述纳米NiCo2O4制备方法包括以下步骤:(1)向蒸馏水溶剂中加入Ni(NO3)2、CoCl2和柠檬酸,加入氢氧化钠调节溶液pH至13‑14,将溶液置于行星球磨机中,公转转速为50‑80rpm,自转转速为580‑620rpm,进行球磨,直至物料全部通过800‑1000目网筛,将溶液在60‑70℃下,超声分散处理1‑2h;
(2)将溶液转移反应釜中,加热至130‑140℃,反应12‑15h,将溶液过滤除去溶剂、洗涤固体产物、干燥;
(3)将固体产物置于气氛电阻炉中,通入N2/O2混合气体,体积比为2.5‑3:1,升温速率为
2‑4℃/min,在380‑400℃下煅烧3‑4h,并在380‑400℃下退火2‑3h,煅烧产物即为纳米NiCo2O4;
所述N‑P共掺杂多孔碳包覆NiCo2O4的氧还原催化剂制备方法包括以下步骤:(1)向乙醇溶剂中加入15‑34份纳米NiCo2O4、25‑30份β‑环糊精、5‑8份植酸和12‑16份缩合剂,将溶液转移进反应釜中,加热至160‑180℃,反应20‑25h,将溶液除去溶剂、洗涤固体产物、干燥,制备得到磷酸酯化环糊精‑NiCo2O4交联产物;
(2)向乙二醇溶剂中加入9‑14份三聚氰胺、15‑18份复合碱催化剂和步骤(1)制得的磷酸酯化环糊精‑NiCo2O4交联产物,将溶液在110‑130℃下,进行超声分散处理2‑3h,将溶液转移进反应釜中,加热至150‑160℃,反应15‑20h,将溶液在‑5‑0℃下加入蒸馏水,直至有大量的沉淀生成,将溶液过滤除去溶剂、洗涤固体产物、干燥,制备得到氨化磷酸酯环糊精‑NiCo2O4交联产物;
(3)将氨化磷酸酯环糊精‑NiCo2O4交联产物置于气氛电阻炉中,并通入N2,电阻炉升温速率为5‑10℃/min,在850‑880℃下保温煅烧2‑3h,并在850‑880℃退火1‑1.5h,煅烧产物即为N‑P共掺杂多孔碳包覆NiCo2O4的氧还原催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种N‑P共掺杂多孔碳包覆NiCo2O4的氧还原催化剂,其特征在于:所述缩合剂为O‑苯并三氮唑‑四甲基脲六氟磷酸酯或2‑(7‑氧化苯并三氮唑)‑N,N,N',N'‑四甲基脲六氟磷酸盐的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种N‑P共掺杂多孔碳包覆NiCo2O4的氧还原催化剂,其特征在于:所述复合碱催化剂为三乙胺和碳酸钾,两者物质的量摩尔比为1:1.5‑2。
4.根据权利要求1所述的一种N‑P共掺杂多孔碳包覆NiCo2O4的氧还原催化剂,其特征在于:所述Ni(NO3)2、CoCl2和柠檬酸物质的量摩尔比为1:2‑2.2:1.2‑1.5。
说明书 :
一种N‑P共掺杂多孔碳包覆NiCo2O4的氧还原催化剂及其制法
技术领域
背景技术
开发绿色高效的新能源成为研究热点,燃料电池是一种新型能源转换装置,具有发电效率
高、环境污染小、比能量大、燃料范围广、安全性能高等优点,燃料电池主要通过电化学反应
过程将阳极燃料的化学能转化为电能,从而实现能源的转化,通常阴极反应为氧还原反应
(ORR),但是氧还原反应在动力学上反应缓慢,因此研制高效的氧还原催化剂促进反应的进
行具有重要的意义。
子掺杂碳基催化剂,但是碳基催化剂的活性位点暴露不充分,催化活性较低,并且其电化学
稳定性较差;过渡金属催化剂主要有Fe、Co、Ni基金属催化剂,但是过渡金属催化剂在电解
液中容易团聚,减少了催化剂与电解质之间的接触面积和反应活性位点,并且过渡金属催
化剂的导电性较差,阻碍了金属离子和电荷在催化剂和电解质之间的扩散和产生,抑制了
氧还原反应的正向进行,降低了催化剂的催化活性。
了过渡金属催化剂在导电性较差的问题。
份β‑环糊精、9‑14份三聚氰胺、5‑8份植酸、12‑16 份缩合剂、15‑18份复合碱催化剂。
速为580‑620rpm,进行球磨,直至物料全部通过800‑1000目网筛,将溶液转移进反应瓶中,
置于超声处理仪中,在60‑70℃下,进行超声分散处理1‑2h。
分干燥。
米NiCo2O4。
热箱中,加热至160‑180℃,反应20‑25h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用适量的蒸馏水洗涤
固体产物,并充分干燥,制备得到磷酸酯化环糊精‑NiCo2O4交联产物。
加热至110‑130℃下,进行超声分散处理2‑3h,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜,并置于反
应釜加热箱中,加热至 150‑160℃,反应15‑20h,将溶液在‑5‑0℃下加入蒸馏水,直至有大
量的沉淀生成,将溶液过滤除去溶剂,使用适量的乙醇洗涤固体产物,并充分干燥,制备得
到氨化磷酸酯环糊精‑NiCo2O4交联产物。
产物即为N‑P共掺杂多孔碳包覆NiCo2O4的氧还原催化剂。
在催化剂和电解质之间的扩散和迁移速率,促进了氧还原反应的正向进行,并且NiCo2O4为
尖晶石结构,通过煅烧热处理,使NiCo2O4晶格中产生大量的氧缺陷,氧缺陷可以有效地捕获
‑
电极反应产生 O2和OH,促进阴极氧还原反应正向进行,从而提高了催化剂的催化活性。
P共掺杂多孔完全包覆住NiCo2O4,N的电负性比C 强,N掺杂碳材料,使碳原子的核外电子向
氮原子转移,使碳原子表现出一定的正电性,从而增强了碳材料在氧还原反应中吸附氧原
子的能力,并且N 的掺杂在碳材料中形成石墨氮结构,增强了多孔碳材料的导电性能,促进
了电子的传输和扩散,P的原子半径较大,掺杂进入碳材料大幅扩大碳层间距,并且增大了
碳材料的比表面积,暴露出更多的活性位点,同时在碳材料内部形成丰富的孔隙结构,更好
地包覆住NiCo2O4,避免了纳米NiCo2O4在电解液中团聚和分散性较差的现象,从而提高了氧
还原催化剂的催化活性。
具体实施方式
NiCo2O4、25‑30份β‑环糊精、9‑14份三聚氰胺、 5‑8份植酸、12‑16份缩合剂、15‑18份复合碱
催化剂,缩合剂为O‑苯并三氮唑‑四甲基脲六氟磷酸酯或2‑(7‑氧化苯并三氮唑)‑N,N,N',
N'‑四甲基脲六氟磷酸盐的任意一种,复合碱催化剂为三乙胺和碳酸钾,两者物质的量摩尔
比为 1:1.5‑2。
星球磨机中,公转转速为50‑80rpm,自转转速为 580‑620rpm,进行球磨,直至物料全部通过
800‑1000目网筛,将溶液转移进反应瓶中,置于超声处理仪中,在60‑70℃下,进行超声分散
处理1‑2h。
分干燥。
米NiCo2O4。
热箱中,加热至160‑180℃,反应20‑25h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用适量的蒸馏水洗涤
固体产物,并充分干燥,制备得到磷酸酯化环糊精‑NiCo2O4交联产物。
加热至110‑130℃下,进行超声分散处理2‑3h,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜,并置于反
应釜加热箱中,加热至 150‑160℃,反应15‑20h,将溶液在‑5‑0℃下加入蒸馏水,直至有大
量的沉淀生成,将溶液过滤除去溶剂,使用适量的乙醇洗涤固体产物,并充分干燥,制备得
到氨化磷酸酯环糊精‑NiCo2O4交联产物。
产物即为N‑P共掺杂多孔碳包覆NiCo2O4的氧还原催化剂。
溶液置于行星球磨机中,公转转速为50rpm,自转转速为580rpm,进行球磨,直至物料全部通
过800目网筛,将溶液转移进反应瓶中,置于超声处理仪中,在60℃下,进行超声分散处理
1h,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜,并置于反应釜加热箱中,加热至130℃,反应12h,将溶
液冷却至室温,过滤除去溶剂,使用适量的蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,将固体产物
置于气氛电阻炉中,通入N2/O2混合气体,体积比为 2.5:1,升温速率为2℃/min,在380℃下
煅烧3h,并在380℃下退火2h,煅烧产物即为纳米NiCo2O4组分1。
进聚四氟乙烯反应釜,并置于反应釜加热箱中,加热至160℃,反应20h,将溶液减压浓缩除
去溶剂,使用适量的蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到磷酸酯化环糊精‑NiCo2O4
交联产物组分1。
交联产物组分1,将反应瓶置于超声处理仪中,加热至110℃下,进行超声分散处理2h,将溶
液转移进聚四氟乙烯反应釜,并置于反应釜加热箱中,加热至150℃,反应15h,将溶液在0℃
下加入蒸馏水,直至有大量的沉淀生成,将溶液过滤除去溶剂,使用适量的乙醇洗涤固体产
物,并充分干燥,制备得到氨化磷酸酯环糊精‑NiCo2O4交联产物组分1。
℃下保温煅烧2h,并在850℃退火1h,煅烧产物即为N‑P共掺杂多孔碳包覆NiCo2O4的氧还原
催化剂材料1。
将溶液置于行星球磨机中,公转转速为80rpm,自转转速为620rpm,进行球磨,直至物料全部
通过800目网筛,将溶液转移进反应瓶中,置于超声处理仪中,在70℃下,进行超声分散处理
1h,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜,并置于反应釜加热箱中,加热至130℃,反应 12h,将
溶液冷却至室温,过滤除去溶剂,使用适量的蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,将固体产
物置于气氛电阻炉中,通入N2/O2混合气体,体积比为 2.5:1,升温速率为4℃/min,在380℃
下煅烧4h,并在400℃下退火2h,煅烧产物即为纳米NiCo2O4组分2。
进聚四氟乙烯反应釜,并置于反应釜加热箱中,加热至160℃,反应25h,将溶液减压浓缩除
去溶剂,使用适量的蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到磷酸酯化环糊精‑NiCo2O4
交联产物组分2。
NiCo2O4交联产物组分2,将反应瓶置于超声处理仪中,加热至130℃下,进行超声分散处理
3h,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜,并置于反应釜加热箱中,加热至150℃,反应15h,将溶
液在‑5℃下加入蒸馏水,直至有大量的沉淀生成,将溶液过滤除去溶剂,使用适量的乙醇洗
涤固体产物,并充分干燥,制备得到氨化磷酸酯环糊精‑NiCo2O4交联产物组分2。
850℃下保温煅烧3h,并在850℃退火1.5h,煅烧产物即为N‑P共掺杂多孔碳包覆NiCo2O4的氧
还原催化剂材料2。
将溶液置于行星球磨机中,公转转速为60rpm,自转转速为600rpm,进行球磨,直至物料全部
通过1000目网筛,将溶液转移进反应瓶中,置于超声处理仪中,在65℃下,进行超声分散处
理1.5h,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜,并置于反应釜加热箱中,加热至135℃,反应13h,
将溶液冷却至室温,过滤除去溶剂,使用适量的蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,将固体
产物置于气氛电阻炉中,通入N2/O2混合气体,体积比为2.8:1,升温速率为3℃/min,在390℃
下煅烧3.5h,并在390℃下退火2.5h,煅烧产物即为纳米NiCo2O4组分3。
移进聚四氟乙烯反应釜,并置于反应釜加热箱中,加热至170℃,反应22h,将溶液减压浓缩
除去溶剂,使用适量的蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到磷酸酯化环糊精‑
NiCo2O4交联产物组分3。
NiCo2O4交联产物组分3,将反应瓶置于超声处理仪中,加热至120℃下,进行超声分散处理
2.5h,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜,并置于反应釜加热箱中,加热至155℃,反应18h,将
溶液在‑3℃下加入蒸馏水,直至有大量的沉淀生成,将溶液过滤除去溶剂,使用适量的乙醇
洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到氨化磷酸酯环糊精‑NiCo2O4交联产物组分3。
℃下保温煅烧3h,并在870℃退火1.2h,煅烧产物即为N‑P共掺杂多孔碳包覆NiCo2O4的氧还
原催化剂材料3。
溶液置于行星球磨机中,公转转速为60rpm,自转转速为600rpm,进行球磨,直至物料全部通
过1000目网筛,将溶液转移进反应瓶中,置于超声处理仪中,在60℃下,进行超声分散处理
2h,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜,并置于反应釜加热箱中,加热至130℃,反应15h,将溶
液冷却至室温,过滤除去溶剂,使用适量的蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,将固体产物
置于气氛电阻炉中,通入N2/O2混合气体,体积比为2.5:1,升温速率为2℃/min,在400℃下煅
烧4h,并在380℃下退火 3h,煅烧产物即为纳米NiCo2O4组分4。
进聚四氟乙烯反应釜,并置于反应釜加热箱中,加热至160℃,反应20h,将溶液减压浓缩除
去溶剂,使用适量的蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到磷酸酯化环糊精‑NiCo2O4
交联产物组分4。
NiCo2O4交联产物组分4,将反应瓶置于超声处理仪中,加热至130℃下,进行超声分散处理
3h,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜,并置于反应釜加热箱中,加热至150℃,反应15h,将溶
液在‑5℃下加入蒸馏水,直至有大量的沉淀生成,将溶液过滤除去溶剂,使用适量的乙醇洗
涤固体产物,并充分干燥,制备得到氨化磷酸酯环糊精‑NiCo2O4交联产物组分4。
850℃下保温煅烧3h,并在850℃退火1.5h,煅烧产物即为N‑P共掺杂多孔碳包覆NiCo2O4的氧
还原催化剂材料4。
将溶液置于行星球磨机中,公转转速为80rpm,自转转速为620rpm,进行球磨,直至物料全部
通过1000目网筛,将溶液转移进反应瓶中,置于超声处理仪中,在70℃下,进行超声分散处
理2h,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜,并置于反应釜加热箱中,加热至140℃,反应15h,将
溶液冷却至室温,过滤除去溶剂,使用适量的蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,将固体产
物置于气氛电阻炉中,通入N2/O2混合气体,体积比为3:1,升温速率为4℃/min,在400℃下煅
烧4h,并在400℃下退火3h,煅烧产物即为纳米NiCo2O4组分5。
进聚四氟乙烯反应釜,并置于反应釜加热箱中,加热至180℃,反应25h,将溶液减压浓缩除
去溶剂,使用适量的蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到磷酸酯化环糊精‑NiCo2O4
交联产物组分5。
NiCo2O4交联产物组分5,将反应瓶置于超声处理仪中,加热至130℃下,进行超声分散处理
3h,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜,并置于反应釜加热箱中,加热至160℃,反应20h,将溶
液在‑5℃下加入蒸馏水,直至有大量的沉淀生成,将溶液过滤除去溶剂,使用适量的乙醇洗
涤固体产物,并充分干燥,制备得到氨化磷酸酯环糊精‑NiCo2O4交联产物组分5。
880℃下保温煅烧3h,并在880℃退火1.5h,煅烧产物即为N‑P共掺杂多孔碳包覆NiCo2O4的氧
还原催化剂材料5。
金属离子在催化剂和电解质之间的扩散和迁移速率,促进了氧还原反应的正向进行,并且
NiCo2O4为尖晶石结构,通过煅烧热处理,使NiCo2O4晶格中产生大量的氧缺陷,氧缺陷可以
‑
有效地捕获电极反应产生O2和OH ,促进阴极氧还原反应正向进行,从而提高了催化剂的催
化活性。
使碳原子的核外电子向氮原子转移,使碳原子表现出一定的正电性,从而增强了碳材料在
氧还原反应中吸附氧原子的能力,并且N的掺杂在碳材料中形成石墨氮结构,增强了多孔碳
材料的导电性能,促进了电子的传输和扩散,P的原子半径较大,掺杂进入碳材料大幅扩大
碳层间距,并且增大了碳材料的比表面积,暴露出更多的活性位点,同时在碳材料内部形成
丰富的孔隙结构,更好地包覆住NiCo2O4,避免了纳米NiCo2O4在电解液中团聚和分散性较差
的现象,从而提高了氧还原催化剂的催化活性。