[发明专利]一种双层碳-氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种双层碳‑氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料及其制备方法，包括步骤：（1）在酸化碳纳米管（CNT）和钴盐存在下同时进行吡咯和苯胺的聚合，形成的黑色固体颗粒为催化剂前驱体，随后将它在850^OC热解，得到催化剂中间体‑1；(2）在催化剂中间体‑1表面形成聚多巴胺后再在800^OC热解，得到催化剂中间体‑2；（3）将葡萄糖、双氰胺与催化剂中间体‑2在水中混合，随后再蒸干溶液，形成的固体在800^OC热解后得到催化剂中间体‑3；（4）将催化剂中间体‑3经H₂SO₄处理后除去杂质和没有反应的物质，干燥后得到的黑色颗粒为催化剂样品。本发明的一种双层碳‑氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料具有氮含量高、金属钴被多层碳‑氮复合物包裹、电活性强、导电性强等优点。

技术领域

本发明涉及一种双层碳-氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料的制备方法及其电化学性能，属于纳米材料与电化学能源领域。

背景技术

当前，世界范围内的能源体系主要是以化石能源为基础建立的。然后，由于众所周知的原因，寻找化石能源的替代品一直受到各国政府与科学技术工作者的高度重视，也是世界持续发展的主要动力。在这些化石能源的替代品中，电化学能源是最受关注、最有前途的新型能源之一。电化学能源主要包括新型电化学电池与电化学超级电容器，其中燃料电池在新型电化学电池中占有非常重要的地位。目前，燃料电池与电化学超级电容器在很多技术层面上都取得了很大的突破，其应用前景非常广泛。然后，要真正使这些新型电化学能源在实际中得到广泛的应用，在电极材料的低成本化与高稳定性方面仍然有许多工作要做。在燃料电池方面，它们的阴极反应主要是氧气的还原反应（ORR），铂是已知的最好的催化剂，但它不适合于商业化应用，所以发展非贵金属类的ORR催化剂就显得非常重要；另一方面，对于电化学超级电容器而言，发展基于廉价的、非贵金属类的电极材料也具有重要的应用价值。

对于这些正在进行探索与研究的非贵金属类电极材料来说，非贵金属掺杂的碳-氮复合物是一类最有前途的材料。金属钴是常见的掺杂金属，它与碳-氮中的氮通常形成金属-氮活性基团，从而对ORR具有强的电催化活性。此外，钴掺杂的碳-氮复合物通常也具有非常高的电化学比电容值。但在实际应用中发现，目前的这类钴掺杂的碳-氮复合物的稳定性并不高，多次使用后的活性下降，这是因为金属钴本身并不是一个化学上呈惰性的金属，在使用过程中钴会不断从复合物中溶出，导致催化剂的活性严重下降。因此，开发具有高度稳定性的钴掺杂碳-氮复合物催化剂具有重要的实际意义。

本发明的双层碳-氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料既具有优异的电化学活性，又具有高度的稳定性，其设计思想是：首先在钴盐存在下，将苯胺和吡咯在碳纳米管表面上原位聚合，形成钴-聚苯胺-聚吡咯-碳纳米管核心，在这一核心中，碳纳米管不仅极大地增强了材料的导电性，还在内部形成交替的多孔结构，大大提高了材料的实际表面积；接着，通过聚多巴胺的高温热解，在这种钴-聚苯胺-聚吡咯-碳纳米管核心的表面上沉积一层碳-氮复合物；最后，再利用双氰胺的热解作用，在其表面上再沉积一层石墨烯纳米片，从而形成双层碳-氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料。

本发明的这种双层碳-氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料通过在其核心引入碳纳米管，大大增强了材料的导电性和表面活性面积；通过在碳纳米管表面上同时进行苯胺和吡咯的聚合，大大提高了材料的氮含量，从而为它的高电化学活性提供了氮源；同时，苯胺和吡咯的同时聚合，使形成的材料的结构更加稳定，更加有利于钴的稳定存在；通过在核心表面上引入双层的碳-氮复合物保护层，使金属钴更加稳定，同时也能充分保证核心的结构稳定，并且这种双层保护层本身就含有碳-氮基团，而且纳米石墨烯片本身导电性很强。这多个因素的存在，使本发明的这种双层碳-氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料的电化学活性非常强，稳定性非常高，具有重要的实际应用意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种双层碳-氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料，本发明的目的还提供了一种双层碳-氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料的制备方法。