[发明专利]中空铜掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料及制备

说明书

本发明提供了一种中空铜掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料及其制备。所述的中空铜掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料，其特征在于，包括中空氮掺杂碳材料，所述的中空氮掺杂碳材料外包覆有铜掺杂氧化钴镍。本发明制备的复合材料具有结构形貌均一的特点，由ZIF‑67和聚苯胺衍生的中空氮掺杂多孔碳材料支撑起该复合材料的中空多面体结构，铜元素的掺杂改变了氧化钴镍本征态的电荷分布，增强了其催化性能；铜掺杂的氧化钴镍均匀的生长在中空氮掺杂碳材料的外部，避免了金属氧化物易于团聚的问题，具有比表面积大、导电性好、物理化学性质稳定、电化学性能优越等优点。

技术领域

本发明属于杂原子掺杂双金属氧化物-碳材料技术领域，具体涉及一种中空铜掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

电催化水解作为一种可持续的制氢方法引起了极大的研究兴趣。在两种电解水的半电池反应中，阳极氧析出反应(OER)涉及到能量要求较高的四电子转移过程，显著降低了水分解的效率。因此，OER高效催化剂的开发仍然是水分解制氢的最重要挑战之一。贵金属氧化物如IrO_x和RuO_x迄今为止作为电催化剂的活性最高的催化剂OER，但是由于其稀缺性、高成本和低耐久性等原因而不利于其大规模商业应用。

为了规避贵金属基催化剂(非贵金属)的高成本和稀缺性，例如过渡金属氧化物和杂原子掺杂的碳材料等催化剂已经引起了广泛的关注，并且在碱性环境中中表现出优异的OER催化活性。然而，非贵金属催化剂的不稳定性和活性位点不足的特点严重阻碍了其进一步的发展与应用。现有的过渡金属氧化物的改进方法有很多方面，包括催化剂的杂原子掺杂、缺陷工程、结构设计等等。在过渡金属氧化物催化剂中的杂原子掺杂策略能够有效的改变材料本身的电荷分布并对其催化性能做出显著的提高。而复合材料的结构设计是能够直接影响材料催化活性的一大因素，例如在催化反应中，空心纳米结构的催化剂可以将大量的外表面暴露于反应物，由于高的比表面积而具有充分的反应性表面位点，并且通过将反应物限制在有限的空间内而允许增加碰撞频率，这可以协同增强催化活性，提高催化剂的效率。

基于此，本发明采用杂原子掺杂的策略制备了铜掺杂的氧化钴镍，并结合中空纳米结构的设计，制备了中空铜掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料。其杂原子掺杂的设计大大提高了OER催化活性；同时，中空的结构设计增加了复合材料的活性位点与比表面积，大大提高了该复合材料在作为催化剂时的性能，表现出了优秀的OER催化活性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有较高OER催化活性的材料及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种中空铜掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料，其特征在于，包括中空氮掺杂碳材料，所述的中空氮掺杂碳材料外包覆有铜掺杂氧化钴镍。

优选地，所述的中空氮掺杂碳材料为中空多面体结构。

本发明还提供了上述的中空铜掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括：在ZIF-67表面包覆一层聚苯胺，得到ZIF-67@ 聚苯胺复合材料，将得到的ZIF-67@聚苯胺复合材料通过酸刻蚀得到中空聚苯胺；再将中空聚苯胺进行高温碳化处理得到中空氮掺杂碳材料；再经由化学共沉积，得到包覆铜掺杂的镍钴层状双金属氢氧化物(铜-镍钴LDH)的中空氮掺杂碳材料；最后经过退火得到中空铜掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳纳米复合材料。

优选地，所述的ZIF-67@聚苯胺复合材料的制备方法包括：将ZIF-67粉末分散在水中，超声分散均匀，得到分散液，再将苯胺单体加入到上述分散液中，均匀分散，随后，将过硫酸铵溶液加入到上述的分散液中，搅拌反应，将得到的沉淀物离心，洗涤，干燥，得到ZIF-67@聚苯胺复合材料。

更优选地，所述的分散液中ZIF-67的浓度为0.5-1.5mg/mL，更优选为1 mg/mL。