[发明专利]一种钴-氮共掺杂复合纳米碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种钴‑氮共掺杂复合纳米碳材料及其制备方法和应用，该材料采用一步溶剂热法制得钴‑氮共掺杂复合纳米材料前驱体后转移至惰性气氛下升温进行碳化制得；制备方法为：将三聚氰胺，金属钴盐与对苯二甲醛分别溶解于溶剂中，进行溶剂热反应，过滤，离心并干燥得到粉末，加入丙酮混匀，离心分离出固体浆料，洗涤，真空干燥得到前驱体，后置于惰性气氛下升温进行碳化，最后水洗、真空干燥，得到钴‑氮共掺杂复合纳米碳材料。本发明方法简单，前驱体制备容易，一步碳化制备得到‑氮共掺杂复合纳米碳材料，该材料催化性能优异，循环稳定性好；作为非贵金属催化剂材料，经济廉价，在质子交换膜燃料电池储能材料应用上有很好的前景。

技术领域

本发明属于燃料电池电极催化剂材料领域，特别涉及复合纳米碳材料制备方法和应用技术领域。

背景技术

随着全球经济的迅速发展，化石燃料的快速消耗和环境污染的日益恶化，对可持续和可再生能源的需求不断增加，这刺激了研究人员对高效清洁能源转换，开发新型存储设备的深入研究来满足未来全球紧张的能源需求。

在各种储能设备中质子交换膜燃料电池由于其突出的特点：如转换效率高，燃料易得，环境友好，长循环寿命，以及出色的稳定性和安全性，使其成为当今无处不在的门户电子产品，电源备份和混合动力汽车中潜在应用的下一代能源存储系统。最近，质子交换膜燃料电池成功应用于新能源电动汽车。

提到可持续并且环境友好的材料，人们首先想到就是碳材料。碳材料的来源非常丰富，可谓取之不尽用之不竭，化学污染小。一般而言，质子交换膜燃料电池的转换效率和循环稳定性强烈依赖所使用的电极上的催化剂材料。各种多孔碳材料是用于质子交换膜燃料电池电极上催化剂材料罪常用的材料，其通过在电极/电解质界面处吸附氧气进行氧还原反应。碳为基础的活性炭(AC)，碳的衍生物(CDC)，碳纳米管(CNT)和石墨烯(GR)等多孔材料由于它们的比表面积高，导电性高以及优异的化学稳定性和热稳定性而被深入研究用作质子交换膜燃料电池的电极上的催化剂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种钴-氮共掺杂复合纳米碳材料及其制备方法和应用，该方法设计简单，容易制备；该钴-氮共掺杂复合纳米碳材料，催化性能优异，循环稳定性好，作为非贵金属催化剂材料，经济廉价，在质子交换膜燃料电池储能材料应用上有很好的前景。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种钴-氮共掺杂复合纳米碳材料，其特征在于，采用一步溶剂热法制得钴-氮共掺杂复合纳米材料前驱体后转移至惰性气氛下升温进行碳化制得。

优选地，所述的钴-氮共掺杂复合纳米材料前驱体是由三聚氰胺、四水合乙酸钴和对苯二甲醛通过溶剂热法制得。

本发明还提供了上述的钴-氮共掺杂复合纳米碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将三聚氰胺、金属钴盐和对苯二甲醛分别溶解于溶剂中，加入反应釜中进行溶剂热反应，过滤，离心并干燥得到粉末，加入丙酮超声洗涤，离心分离出固体浆料，洗涤，干燥，得到钴-氮共掺杂复合纳米材料前驱体；

(2)将制得的钴-氮共掺杂复合纳米材料前驱体置于惰性气氛下升温进行碳化，最后水洗、真空干燥，得到钴-氮共掺杂复合纳米碳材料。

优选地，所述步骤(1)中的三聚氰胺、金属钴盐和对苯二甲醛的摩尔比为20:1:30。

优选地，所述步骤(1)中的金属钴盐为四水合乙酸钴。

优选地，所述步骤(1)中的溶剂为DMF，反应温度为150-200℃。

优选地，所述步骤(2)中的惰性气氛为氩气氛围。

优选地，所述步骤(2)中的碳化的工艺参数为：升温速率2-5℃/min，碳化温度700-900℃，保温时间1-5h。

优选地，所述步骤(2)水洗为采用去离子水洗涤6-12h。