[发明专利]一种双功能氧催化剂钴/四氧化三钴/氮碳复合材料及其制备方法

说明书

一种双功能氧催化剂钴/四氧化三钴/氮碳复合材料及其制备方法。本发明属于燃料电池和金属‑空气电池领域，具体涉及一种双功能氧催化剂钴/四氧化三钴/氮碳复合材料及其制备方法。本发明的目的是为了解决现有氧催化剂成本高以及催化活性不高的问题。产品：为具有菱形十二面体形貌的双功能氧催化剂钴/四氧化三钴/氮碳复合材料。方法：一、ZIF‑67前驱体的制备；二、Co@CoO/NC的制备；三、Co@Co₃O₄/NC的制备。本发明的复合材料表现出优异的双功能氧电极催化活性，同时在碱性溶液中核‑壳结构的Co@Co₃O₄纳米颗粒包封在石墨化的N掺杂多孔碳中表现出良好的稳定性。

技术领域

本发明属于燃料电池和金属-空气电池领域，具体涉及一种双功能氧催化剂钴/四氧化三钴/氮碳复合材料及其制备方法。

背景技术

可逆燃料电池和可再充的金属-空气电池是作为最具发展潜力的储能体系近年来备受关注，然而要想实现这类电池的循环利用，就必须使电极上的氧反应既能向氧析出反应(OER)方向进行，又能向氧还原反应(ORR)方向进行。对于高度不可逆的氧反应来说，要实现双向进行的难度比较大。因此，探索具有高催化活性的双功能氧电极催化剂对于开发新型绿色化学电源是非常重要的。研究表明，ORR缓慢的动力学是影响新型化学电源能量效率的一个重要因素。目前，铂基材料是催化活性最高的ORR催化剂，但资源稀缺、成本高，严重限制其在能量转换系统中的广泛应用，因此开发非铂基的高效氧催化剂是亟待解决的问题。

目前文献上报道的Co@Co₃O₄/NC复合材料有核壳结构的、颗粒状的，菱形十二面体结构的还未见报道。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有氧催化剂成本高以及催化活性不高的问题，而提出了一种双功能氧催化剂钴/四氧化三钴/氮碳复合材料及其制备方法。

本发明的一种双功能氧催化剂钴/四氧化三钴/氮碳复合材料为具有菱形十二面体形貌的双功能氧催化剂钴/四氧化三钴/氮碳复合材料。

本发明的一种双功能氧催化剂钴/四氧化三钴/氮碳复合材料的制备方法按以下步骤进行：

一、ZIF-67前驱体的制备：①将Co(NO₃)₂·6H₂O溶解于甲醇中，得到Co(NO₃)₂溶液；②将2-甲基咪唑溶解于甲醇中，得到2-甲基咪唑溶液；③在搅拌速度为150r/min～200r/min的条件下，将2-甲基咪唑溶液以5mL/min～8mL/min的速度滴加到Co(NO₃)₂溶液中，室温下陈化20h～24h，抽滤后得到ZIF-67紫色沉淀；④用甲醇洗涤得到的ZIF-67紫色沉淀2～4次，然后置于烘箱中，在温度为50～70℃的条件下干燥过夜，得到ZIF-67前驱体；

步骤①中所述Co(NO₃)₂溶液中Co(NO₃)₂·6H₂O的质量与甲醇的体积的比为0.4g～0.6g：50mL；

步骤②中所述2-甲基咪唑溶液中2-甲基咪唑的质量与甲醇的体积的比为0.55g～0.75g：50mL；

步骤③中所述Co(NO₃)₂溶液中的Co(NO₃)₂·6H₂O与2-甲基咪唑溶液中的2-甲基咪唑的质量比为0.5：0.55～0.75；

二、Co@CoO/NC的制备：将步骤一得到的ZIF-67前驱体置于N₂气氛下，在温度为650～750℃的条件下碳化处理4h～6h，得到Co@CoO/NC；