[发明专利]钴@四氧化三钴纳米粒子嵌入氮掺杂碳纳米管材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种钴@四氧化三钴纳米粒子嵌入氮掺杂碳纳米管材料及其制备方法和应用，该制备方法包括：1)将钴源、P123、氮源和溶剂进行混合制得前驱体溶液，接着将前驱体溶液中溶剂去除以得到混合物；2)将混合物研磨得到粉状物，接着将粉状物在保护气的存在下进行煅烧以制得Co@Co₃O₄纳米粒子嵌入氮掺杂碳纳米管材料；其中，氮源选自三聚氰胺、尿素和2‑甲基咪唑中的至少一者。该制备方法成本低廉、工艺简单、打破常规负载形式制得形貌均匀并且可控、颗粒分散度更高的Co@Co₃O₄纳米粒子嵌入氮掺杂碳纳米管材料，进而使得该Co@Co₃O₄纳米粒子嵌入氮掺杂碳纳米管材料能够作为燃料电池阴极催化剂使用。

技术领域

本发明涉及掺杂碳纳米管材料，具体地，涉及一种钴@四氧化三钴纳米粒子嵌入氮掺杂碳纳米管材料及其制备方法和应用。

背景技术

在能源枯竭和环境污染的当今社会，发展燃料电池这一绿色能源技术是刻不容缓的。而阴极催化剂的使用被视为影响燃料电池电化学效果的主导因素。碳材料用于燃料电池催化剂载体的研究愈发成熟。非金属元素掺杂类催化剂随着人们的不断深入研究，已逐步发展成为可取代商业Pt/C的优异的ORR催化剂。近些年的深入研究中发现，氮等非金属杂原子掺杂或共掺杂的纳米管可以有效避免催化剂载体表面活性因子的流失从而有效提高ORR活性。其中碳纳米管形貌比较特殊，也有很好的力学性能，是优异的催化剂载体材料。进一步的研究发现金属掺杂会使其性能更加优越，大大提高ORR电催化活性。

氮等非金属杂原子掺杂或共掺杂的纳米管常用的制备方法是在通入惰性气体保护下，利用热解法制得金属粒子和非金属杂原子掺杂的碳材料。这种方法能够控制前驱体形貌，热解前驱体之后比表面积较大。但是，金属在载体表面存在分布不均和结合不牢靠问题。这些问题会导致材料在用于燃料电池催化剂领域中催化性能较差，也可能导致金属与载体脱离。

发明内容

本发明的目的是提供一种钴@四氧化三钴纳米粒子嵌入氮掺杂碳纳米管材料及其制备方法和应用，该制备方法成本低廉、工艺简单、打破常规负载形式制得形貌均匀并且可控、颗粒分散度更高的Co@Co₃O₄纳米粒子嵌入氮掺杂碳纳米管材料，进而使得该Co@Co₃O₄纳米粒子嵌入氮掺杂碳纳米管材料能够作为燃料电池阴极催化剂使用。

为了实现上述目的，本发明提供了一种Co@Co₃O₄纳米粒子嵌入氮掺杂碳纳米管材料的制备方法，包括：

1)将钴源、P123(聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物)、氮源和溶剂进行混合制得前驱体溶液，接着将前驱体溶液中溶剂去除以得到混合物；

2)将混合物研磨得到粉状物，接着将粉状物在保护气的存在下进行煅烧以制得Co@Co₃O₄纳米粒子嵌入氮掺杂碳纳米管材料；

其中，氮源选自三聚氰胺、尿素和2-甲基咪唑中的至少一者。

本发明还提供了一种Co@Co₃O₄纳米粒子嵌入氮掺杂碳纳米管材料，该Co@Co₃O₄纳米粒子嵌入氮掺杂碳纳米管材料通过上述的制备方法制备而得。

本发明进一步提供了一种如上述的Co@Co₃O₄纳米粒子嵌入氮掺杂碳纳米管材料在ORR电催化中的应用。

在上述技术方案中，本发明以钴源、P123、氮源为原料制得Co@Co₃O₄纳米粒子嵌入氮掺杂碳纳米管材料，此制备过程中无需特殊条件，对设备要求低，成本低廉，通过简单的原料和热解法，合成出了一种形貌均匀且可控的碳纳米管基金属类催化剂。