[发明专利]复合纳米电催化材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于能源转化材料技术领域，公开一种复合纳米电催化材料N‑GCNTs/CoAl，其采用氮原子掺杂的石墨化的碳纳米(N‑GCNTs)管包覆钴铝合金(CoAl)纳米颗粒(NPs)，氮原子掺杂在碳纳米管的碳层中。本发明通过一步法合成所述复合纳米电催化材料，在钴铝合金纳米颗粒上原位生长表面富活性位点的N‑GCNT，通过N‑GCNTs对CoAl NPs的封装，增强了复合纳米电催化材料N‑GCNTs/CoAl的稳定性；通过内层CoAl NPs对N‑GCNTs的电子相互作用，实现对N‑GCNTs的氧气还原反应(ORR)性能进行有效调控。本发明还给了复合纳米电催化材料N‑GCNTs/CoAl在金属‑空气电池中的应用。研究表明，N‑GCNTs/CoAl在金属‑空气电池中表现出优异的功率密度和稳定性，实际应用前景广阔。

技术领域

本发明属于能源转化材料技术领域，涉及一种纳米限域材料的合成制备及其性能研究，具体涉及一种复合纳米电催化材料及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，由于石油资源的大规模开采与使用，引发了一系列全球性环境问题。而发展清洁能源技术被认为是缓解全球气候变化，提高人们生活质量的有效方法之一。在各种研究中，能源转化技术吸引了来自学术界和工业界的广泛关注。在能源转化技术中，金属-空气电池技术因其直接将化学能转化为电能，具有非常高的能源转化效率以及无毒性，因而被认为是一种非常有潜力并且环境友好的能源转换技术。然而，在阴极的氧还原反应(ORR)由于迟缓的动力学限制，导致整体金属-空气电池装置的电转化效率下降。商业运用的ORR催化剂通常为铂系贵金属或者其合金纳米结构负载在碳基材料上，价格十分昂贵，稳定性差，而且易“中毒”。因此，基于这些缺陷的存在，不利于金属-空气电池的实际推广应用。

为了解决这些问题，对非贵金属甚至是非金属的研究使得电催化剂的种类得到极大的拓展。在众多材料中，碳纳米管(CNTs)具有高比表面积、高导电性、高机械强度等特点，并且其为好的柔性材料，使其发展成为一种非常有潜力的催化剂。虽然碳纳米管具有诸多优点，但是其本征活性较差，一般只是用作于其他催化剂的载体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合纳米电催化材料，以实现碳纳米管本征活性的提高。这种复合纳米电催化材料，通过有效的钴铝合金纳米颗粒(CoAl NPs)调控和氮原子掺杂的石墨化碳纳米管改性，有效提高了碳纳米管的本征活性，使其在ORR性能上基本达到了商业铂碳催化剂的水平。

从结构而言，所述复合纳米电催化材料，其采用氮原子掺杂的石墨化的碳纳米管包覆钴铝合金颗粒，所述氮原子掺杂在所述碳纳米管的碳层中。

进一步地，所述复合纳米电催化材料，其所含的钴铝合金颗粒被封装于所述碳纳米管的内部形成管状核壳结构。

氮原子的掺杂使得石墨化碳纳米管(GCNTs)表面形成了大量活性中心，并且封装在碳纳米管内的钴铝合金纳米颗粒对相邻的原子产生应力作用，使得活性中心电子状态发生改变，进一步增加了活性位点的活性。因而，在两者的协同作用下，使得具有这种管状核壳结构的复合纳米电催化材料(N-GCNTs/CoAl)相比于单一的碳纳米管，性能有着极其显著的提升，并且通过碳纳米管对金属纳米颗粒封装的限域作用能够有效的保护这种核壳结构的稳定，进而使高活性的位点能够兼具高活性及高稳定性。

进一步地，所述复合纳米电催化材料，其所含金属铝在钴铝合金颗粒中的质量分数为10％～50％。金属铝在钴铝合金颗粒中的含量占比，能够影响所述复合纳米电催化材料的整体催化性能。

另一方面，本发明给出了所述复合纳米电催化材料的制备方法。为了便于实现这种新型的碳纳米管功能材料的推广应用，本发明选用常见且价格便宜的金属盐、有机碳源和有机氮源为原料，采用一步煅烧法即可成功合成具有精细纳米结构的所述复合纳米电催化材料(N-GCNTs/CoAl)。