[发明专利]钴氮掺杂碳纳米棒催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种钴氮掺杂碳纳米棒催化剂及其制备方法与应用，制备方法包括如下步骤：1）将氮源、碳源及钴盐溶解于N,N‑二甲基甲酰胺溶剂中，得到静电纺丝溶液；2）将静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到纳米纤维布；3）将纳米纤维布进行热处理，得到黑色纤维材料；4）将黑色纤维材料依次进行水洗、抽滤、烘干及研磨，得到钴氮掺杂碳纳米棒催化剂。本发明采用静电纺丝及热处理技术相结合的方法制备的钴氮掺杂碳纳米棒催化剂，催化剂成本低廉、结构均匀且性能优良，无论是酸性还是碱性介质下都表现出优良的氧还原反应(ORR)电催化活性；整个制备工艺简单可靠且适合规模化，未来可替代铂基贵金属催化剂应用于质子交换膜燃料电池和金属‑空气燃料电池等领域。

技术领域

本发明属于纳米材料的制备技术领域，具体涉及钴氮掺杂碳纳米棒催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

能源与环境是当今世界性难题，开发新型、绿色、可持续能源已经成为当前最为迫切关注的研究热点。质子交换膜燃料电池以及金属-空气燃料电池具有高的能量密度和能量转化效率，同时对环境的污染较小，是目前乃至未来理想的动力电源，因而受到世界各国科学家们的广泛关注。为此，各国投入了大量的人力、物力对其进行深入研究。其中，研究的热点主要集中于空气电极侧的氧还原反应(ORR)催化剂。就目前而言，无论是酸性条件的质子交换膜燃料电池(如直接甲醇燃料电池)，还是碱性条件的金属-空气电池(如Zn-air电池)，阴极催化剂均采用铂基贵金属催化剂，存在成本高且铂资源有限问题，显著限制了该类电池的产业化和规模应用，因而迫切需要开发出低成本、高性能的低铂甚至非铂ORR催化剂。

目前，ORR催化剂研发主要有两条技术途径：一种是低铂用量的开发合金化催化剂，如PtCo、PtCr、PtNi等，通过提高贵金属的利用效率以降低其用量和降低成本，但是，该技术途径仍基于铂电催化活性，很难实现电池成本的实质性降低。另一种是开发完全不含贵金属的催化剂，是当前ORR催化剂研究热点。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种钴氮掺杂碳纳米棒催化剂及其制备方法与应用，用于解决现有技术中铂基贵金属催化剂存在的成本高且铂资源有限，显著限制了铂基贵金属催化剂及采用铂基贵金属催化剂的电池的产业化和规模应用。

为了实现上述目的及其他相关目标，本发明提供一种钴氮掺杂碳纳米棒催化剂的制备方法，所述的钴氮掺杂碳纳米棒催化剂的制备方法包括如下步骤：

1)将氮源、碳源及钴盐溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，得到静电纺丝溶液；

2)将所述静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到纳米纤维布；

3)将所述纳米纤维布进行热处理，得到黑色纤维材料；

4)将所述黑色纤维材料依次进行水洗、抽滤、烘干及研磨，得到钴氮掺杂碳纳米棒催化剂。

作为本发明的钴氮掺杂碳纳米棒催化剂的制备方法的一种优选方案，所述步骤1)中，所述氮源为二甲氨基吡啶、四氮唑、双氰胺或尿素；所述碳源为聚丙烯腈、聚乙烯醇或聚环氧乙烯；所述钴盐为四水合乙酸钴、氯化钴、硝酸钴。

作为本发明的钴氮掺杂碳纳米棒催化剂的制备方法的一种优选方案，所述步骤1)中，所述氮源与所述碳源的质量比为0.5:1～2:1，所述钴盐与所述碳源的质量比为1:15～1:10。

作为本发明的钴氮掺杂碳纳米棒催化剂的制备方法的一种优选方案，所述步骤2)中，将所述静电纺丝溶液进行静电纺丝的具体方法为：

21)将所述静电纺丝溶液注入注射器内；

22)将所述注射器置于纺丝箱体内，所述箱体内设有接收板；

23)在所述接收板上接入高压静电进行静电纺丝。