[发明专利]一种具有双功能氧催化性能的富含CNTs和Co颗粒的氮掺杂碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种具有双功能氧催化性能的富含CNTs和Co颗粒的氮掺杂碳材料及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：S1：CoZn‑PhIM的合成将苯并咪唑溶解于二甲基甲酰胺中形成溶液A，将钴盐和锌盐搅拌溶解于二甲基甲酰胺中形成溶液B；将溶液A与溶液B混合并搅拌，然后置于烘箱中静置，将混合液离心、洗涤、干燥、活化后即得CoZn‑PhIM前体；S2：富含CNTs和Co颗粒的氮掺杂碳材料的合成将S1所得CoZn‑PhIM前体置于管式炉中，于惰性气体氛围下高温煅烧，即得富含CNTs和Co颗粒的氮掺杂碳材料。本发明提供的氮掺杂碳材料主要由多孔碳组成，具有高的比表面积、含氮量和石墨化程度，同时富含纳米尺寸的Co纳米粒子和弯曲的碳纳米管。该材料具有电催化氧还原反应（ORR）及氧析出反应（OER）的双功能电催化性能，可作为双功能电催化氧催化剂应用于电催化领域中。

技术领域

本发明涉及纳米能源领域，具体地，涉及一种具有双功能氧催化性能的富含CNTs和Co颗粒的氮掺杂碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

用于锂-空气电池的催化材料包括贵金属(Pt、Ru、Ir等)及其合金、多孔碳材料、过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物等。虽然以上这些催化剂对锂-空气电池的电极反应均表现出良好的催化活性及稳定性，可是找到一类催化剂既有ORR活性又有OER活性仍具有很大的挑战性。将锂-空气电池本身应有的充放电容量真正实现于工业生产还具有很长的路要走。

金属有机骨架材料（MOFs），自从上世纪九十年代第一次合成，由于其较高的比表面积、孔径可调、可功能化修饰、具有不饱和金属配位、结构多样性等特性，迅速成为科研工作者青睐有加的功能材料，并且广泛应用于分离、气体吸附、药物输送、催化、光学、电学等领域。MOFs是由含氧、氮等的多齿有机配体与过渡金属自组装形成的配位化合物。作为一种超低密度的多孔材料，可储存大量气体，可为交通工具提供便捷的储能手段。另外，由于MOFs的大孔可増加锂-空气电池的电池容量，人们可尝试将MOFs用作锂-空气电池的催化剂，并对其进行设计优化获得具有ORR和OER双活性的双功能催化剂。MOFs材料作为锂-空气电池正极催化剂是很有发展前景的。然而，在大部分将MOFs用于ORR或OER催化剂的研究中，MOFs通常作为基体或前驱体或者跟其他材料复合，才能显示出优异的催化性能，很少有人将纯MOFs作为电化学催化剂。这是因为MOFs结构在水溶液中很不稳定，微孔的MOFs与电极表面接触作用较差，也就是MOFs结构的导电性能差。如果能够得到导电性能良好的MOFs，将会在很大程度上改善MOFs的催化活性，也可使其更加广泛的应用于电催化领域。

目前，改善材料导电性能最常用的方法是改善材料结构的电子传递途径，特别是多种碳网络框架的构建，比如多孔碳与导电性良好的碳纳米管的复合材料，可以很好改善电子传递的速率，从而増加其导电性能。另外，同时具有微孔介孔结构的新型材料有利于电解液的传输，以及活性分子的吸附脱附，对电催化性能具有显著的提高。因此，以MOFs为前体制备具有多级孔道结构（微孔、介孔、大孔等）的多孔碳材料，并同时富含具有导电性质的碳纳米管及金属颗粒具有非常显著的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有双功能氧催化性能的富含CNTs和Co颗粒的氮掺杂碳材料，本发明提供的氮掺杂碳材料主要由多孔碳组成，具有高的比表面积、含氮量和石墨化程度，同时富含纳米尺寸的Co纳米粒子和弯曲的碳纳米管。

本发明的另一目的在于提供上述具有双功能氧催化性能的富含CNTs和Co颗粒的氮掺杂碳材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述具有双功能氧催化性能的富含CNTs和Co颗粒的氮掺杂碳材料作为双功能电催化氧催化剂在电催化领域中的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有双功能氧催化性能的富含CNTs和Co颗粒的氮掺杂碳材料的制备方法，包括如下步骤：

S1：CoZn-PhIM的合成