[发明专利]一种碳包覆碳掺杂球状硫化钴及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种碳包覆碳掺杂球状硫化钴及其制备方法与应用，涉及电池催化剂制备技术领域。本发明以葡萄糖和乙二醇为混合碳源，经水热反应和焙烧，将部分碳均匀掺杂在形成的硫化钴内部；大量的碳源包覆在硫化钴的外表面，形成碳包覆的碳掺杂球状硫化钴。碳包覆在硫化钴外表面和碳掺杂在硫化钴颗粒内，可有效减缓碱性电解质的侵蚀，提高催化剂的稳定性。从实施例可以看出：球状硫化钴的粒径尺寸为780nm～1.3μm，所述硫化钴颗粒内部掺杂碳，外表层包覆碳层，所述包覆碳层的厚度为3.1～4.3nm。

技术领域

本发明涉及电池催化剂制备技术领域，尤其涉及一种碳包覆碳掺杂球状硫化钴及其制备方法和应用。

背景技术

金属-空气电池尤其是铝-空气电池，将是最有前途的能量转换与储存技术。铝空气电池有不少特点，比如价格低，环境友好，运行温度低(常温)，实际能量密度高达600wh·kg^-1。但是，铝-空气电池的空气电极在常温下的反应速度非常慢，需要催化剂来催化提速。目前最好的催化剂是商业JM 20％Pt/C，但是铂金属非常昂贵，且稀少，很难大规模地商业应用。因此，寻找高效的非铂金属催化剂已成为该电池的瓶颈问题。

近十年里，过渡金属硫化物(例如锰硫化物、钴硫化物、铁硫化物等)已被开发应用于Pt基催化材料的替代品。在碱性电解质下，钴硫化物是所有非贵金属硫系化合物中活性最高的催化剂，这主要是在催化过程中钴硫化物可以原位转化为具有纳米孔的氧化物和/或氧羟基，形成更多的活性位点，从而增加电化学活性。但在碱性电解质下，Co_1-xS易受到OH^-腐蚀，而使得催化氧还原的稳定性下降。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种碳包覆碳掺杂球状硫化钴及其制备方法和应用。本发明的碳包覆在硫化钴外表面和掺杂在硫化钴颗粒内，可有效减缓碱性电解质的侵蚀，提高硫化钴的稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳包覆碳掺杂球状硫化钴的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硫源与水混合，用碱调节pH值至中性，得到硫源溶液；

(2)将所述步骤(1)得到的硫源溶液与乙二醇、葡萄糖和钴源混合后，进行水热反应，得到前躯体；

(3)在惰性气体保护下，将所述步骤(2)得到的前躯体焙烧，得到所述碳包覆碳掺杂球状硫化钴。

优选地，所述硫源包括半胱氨酸、硫脲或硫化钠。

优选地，所述钴源包括六水合氯化钴或六水合硝酸钴。

优选地，所述硫源、水、乙二醇、葡萄糖和钴源的用量比为4～12mmol：40～50mL：30～40mL：4～12mmol：2～6mmol。

优选地，所述水热反应的温度为140～180℃，时间为8～12h。

优选地，所述焙烧的温度为400～500℃，时间为1～3h。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法得到的碳包覆碳掺杂球状硫化钴，所述球状硫化钴的粒径尺寸为780nm～1.3μm，所述硫化钴颗粒内部掺杂碳，外表层包覆碳层，所述包覆碳层的厚度为3.1～4.3nm。

本发明还提供了上述技术方案所述碳包覆碳掺杂球状硫化钴作为空气电极催化剂的应用。