[发明专利]一种钴氮共掺杂碳载体负载的纳米镍铁水滑石复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及新能源技术领域。更具体地，涉及一种钴氮共掺杂碳载体负载的纳米镍铁水滑石复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锌空气电池，由于价格低廉，环保，比能量密度高(1084Wh kg-1)，有望成为新一代能源。目前阻碍其进一步广泛应用的是，锌空气电池所用负极材料催化氧气氧化(OER)和还原反应(ORR)的效率低。分别为ORR和OER活性最高的催化剂，然而价格昂贵，储量稀少，限制了其在批量使用。虽然研究者已发现一些非贵金属材料可代替贵金属使用，如氮掺杂的碳材料的ORR活性已经超过Pt,过渡金属氧化物/氢氧化物/氮化物/磷化物等的OER活性已超越Ru/Ir。但是仍然缺乏能同时高效催化OER和ORR的双功能催化剂。

镍铁水滑石，易于在表面形成NiOOH，在催化氧气氧化反应(OER)具有很高的活性。但是其在合成过程中，易于团聚，不利于活性位点充分暴露。同时，其导电性差，影响反应过程中电荷传递。

因此，本发明提出一种钴氮共掺杂碳载体负载的纳米级镍铁水滑石复合材料，充分利用镍铁水滑石和钴氮共掺杂碳材料的协同作用，得到新型、高效的双功能材料，催化氧气氧化还原反应，并作为锌空气电池负极材料使用。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种钴氮共掺杂碳载体负载的纳米镍铁水滑石复合材料。

本发明的另一个目的在于提供一种钴氮共掺杂碳载体负载的纳米镍铁水滑石复合材料的制备方法。本发明采用二氧化硅保护沸石咪唑酯骨架结构材料前驱体的方法，得到高分散碳基纳米颗粒材料，再将镍铁水滑石原位生长于碳材料上。

本发明的第三个目的在于提供一种钴氮共掺杂碳载体负载的纳米镍铁水滑石复合材料的应用。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种钴氮共掺杂碳载体负载的纳米镍铁水滑石复合材料，所述复合材料以钴氮共掺杂的碳材料为载体；所述钴氮共掺杂的碳材料的表面原位负载镍铁水滑石纳米颗粒。本发明发现镍铁水滑石易在表面形成NiOOH，催化氧气氧化反应(OER)，但是其在合成过程中，易于团聚，不利于活性位点充分暴露，同时导电性差，因此本发明为进一步提高其OER反应活性，采用钴氮共掺杂的碳材料作为载体。本发明发现钴氮共掺杂的碳材料具有优异的导电性，高的比表面积，可分散镍铁水滑石，充分暴露活性位点，从而促进OER反应活性。同时，钴氮共掺杂的碳材料本身在氧气还原反应(ORR)中，也显示出很高的活性。

优选地，所述钴氮共掺杂的碳材料中Co、N和C的摩尔比为0.5～5:1～10:90。更优选地，所述钴氮共掺杂的碳材料中Co、N和C的摩尔比为2:5:90，本发明发现，在2:5:90摩尔比下，钴氮共掺杂的碳材料ORR活性最高。

优选地，所述镍铁水滑石纳米颗粒的尺寸为3～200nm；进一步地，在本发明的某些具体实施方式中，例如，所述镍铁水滑石纳米颗粒的尺寸为3～100nm、3～90nm、3～80nm、3～70nm、3～60nm、3～50nm、3～40nm、3～30nm、3～20nm、3～10nm、3～5nm等；更优选地，所述镍铁水滑石纳米颗粒的尺寸为10～90nm、20～80nm、30～70nm、40～60nm等；更优选地，所述镍铁水滑石纳米颗粒的尺寸为20～70nm、20～60nm、20～50nm、20～40nm、20～30nm等；更优选地，所述镍铁水滑石纳米颗粒的尺寸为30～60nm、30～50nm、30～40nm等；更优选地，所述镍铁水滑石纳米颗粒的尺寸为40～50nm等。本发明中镍铁水滑石的尺寸是原料配比、制备步骤和工艺参数相互配合、共同作用的结果。本发明发现，通过调整原料配比、制备步骤和工艺参数，得到的镍铁水滑石纳米颗粒的尺寸越小，最终钴氮共掺杂碳载体负载的纳米镍铁水滑石复合材料的活性越高，在镍铁水滑石纳米颗粒的尺寸为3～5nm时，得到的复合材料的活性最优。

优选地，所述镍铁水滑石纳米颗粒与钴氮共掺杂的碳材料的质量比为0.5～2:1；更优选地，所述镍铁水滑石纳米颗粒与钴氮共掺杂的碳材料的质量比为1:1，本发明发现在该质量比下得到的复合材料的OER和ORR活性最优。

为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：

一种钴氮共掺杂碳载体负载的纳米镍铁水滑石复合材料的制备方法，包括如下步骤：