[发明专利]一种基于凝胶热解的钴-氮掺杂碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种基于凝胶热解的钴‑氮掺杂碳复合材料及其制备方法和应用，复合材料是利用钴与有机配体配位制备凝胶前驱体，再通过高温碳化得到的；制备方法包括：钴的复合凝胶制备，干凝胶制备，基于凝胶热解的钴‑氮掺杂碳复合材料制备；复合材料用于氧还原催化剂。本发明环保、简单，是一种绿色化学合成方法；得到的钴‑氮掺杂碳复合材料具有稳定的化学性质、高比表面积和高电催化性能等优点，充分利用过渡金属Co、N的掺杂，提供了更多的活性位点，从而提高电催化性能。

技术领域

本发明属于纳米碳材料及其制备和应用领域，特别涉及一种基于凝胶热解的钴-氮掺杂碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

在燃料电池的阳极氢氧化反应和阴极氧还原反应中，氧还原反应的速率比氢氧化反应慢得多，限制了燃料电池电化学能量转换的效率和性能。铂基材料是最有效的阴极催化剂，但铂存在成本高，储量低，对甲醇敏感等缺点，因此寻找有效、耐用、便宜的非铂基催化材料是这一领域努力的方向。其中，过渡金属/氮共掺杂碳催化剂和氮掺杂碳催化剂以良好的性能和突出的稳定性吸引了众多关注。经研究发现，对于燃料电池非贵金属氧还原催化剂的制备需具备过渡金属源、氮源、碳源、高温热处理，这分别是因为过渡金属、碳、氮同时存在对催化剂活性位的形成起着重要的作用；氮是活性位的重要组分；铁或钴比其它过渡金属掺杂的催化剂活性要高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于凝胶热解的钴-氮掺杂碳复合材料及其制备方法和应用，该方法环保，成本低廉，得到的钴-氮掺杂碳复合材料具较高的电催化活性。

本发明的一种基于凝胶热解的钴-氮掺杂碳复合材料，所述复合材料是通过化学合成用金属和有机配体配位形成凝胶前驱体，再经过冻干后在高温下进行碳化得到的；其中有机配体为三聚氰胺和烟酸。

本发明的一种基于凝胶热解的钴-氮掺杂碳复合材料的制备方法，包括：

(1)将三聚氰胺、烟酸和醋酸钴分别加入去离子水中，得到三聚氰胺溶液、烟酸溶液和醋酸钴溶液，将这三种溶液混合并搅拌，冷却，得到钴的复合凝胶；其中三聚氰胺、烟酸和醋酸钴的摩尔比为1:1:0～0.05，且醋酸钴不为0；三聚氰胺溶液的浓度为0.1～0.2mmol/mL，烟酸溶液的浓度为0.1～0.3mmol/mL，醋酸钴溶液的浓度为0.001～0.1mmol/mL；

(2)将步骤(1)中钴的复合凝胶老化，干燥，得到干凝胶，碳化，酸洗，再干燥，得到基于凝胶热解的钴-氮掺杂碳复合材料。

所述步骤(1)中混合温度为80-100℃；搅拌时间为8-15min。

所述步骤(2)中老化时间为2-4d。

所述步骤(2)中干燥为：置于冻干机中干燥40-50h。

所述步骤(2)中碳化的工艺参数为：碳化气氛为惰性气体，碳化温度为600～800℃，碳化时间为1-3h，升温速率为3～6℃/min。

所述惰性气体为高纯度的氩气。

所述步骤(2)中酸洗为：用1mol/L盐酸搅拌5-7h。

所述步骤(2)中再干燥为：在60℃真空烘箱中干燥过夜。

本发明的一种基于凝胶热解的钴-氮掺杂碳复合材料用于氧还原催化剂。

本发明利用具有大量氢键和金属离子与配体之间配位键的超分子水凝胶作为前驱体，再通过混合和高温碳化技术得到具有高催化活性的钴-氮掺杂的碳材料。所制备的材料具有大比表面积和高电催化活性，是理想的氧还原催化剂。

本发明凝胶热解后钴-氮掺杂碳复合材料具有特殊的前驱体和分子水平的钴离子分散性，具有大量氢键和金属离子与配体之间配位键的超分子水凝胶将成为开发凝胶催化剂的潜在前体。

有益效果