[发明专利]一种氮化钴嵌入多孔氮掺杂石墨烯材料及制备方法与应用

说明书

本公开提供了一种氮化钴嵌入多孔氮掺杂石墨烯材料及制备方法与应用，其包括氮掺杂石墨烯及Co_5.47N纳米颗粒，所述氮掺杂石墨烯表面有蠕虫状迹线的孔状结构，Co_5.47N纳米颗粒镶嵌在蠕虫状迹线的孔状结构的末端。其制备方法为：向氧化石墨烯的分散液中依次加入醋酸钴、单宁酸混合均匀获得悬浮液，将悬浮液中的固体物料分离出来后，在氮气和氨气混合气氛下加热至不低于600℃进行热解。本公开提供的材料在碱性溶液中对ORR、HER和OER表现出有效的多功能催化活性。

技术领域

本公开属于电化学领域，涉及电催化剂，具体涉及一种氮化钴嵌入多孔氮掺杂石墨烯材料及制备方法与应用。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然构成现有技术。

传统化石燃料的大量消耗导致严重的气候和环境问题，这引起了人们对开发清洁高效的电化学能量转换和储存技术的关注，例如燃料电池、金属空气电池和电解水装置等。这些能量存储和转换装置的性能由几个基本的电化学反应决定。例如，可充电锌-空气电池因其成本低、环境友好和理论能量密度高等优点而受到越来越多的关注。氧气析出反应(OER)和氧气还原反应(ORR)是两个关键的半反应，决定着锌空气电池的最终性能。另外，电解水主要包括氢气析出反应(HER)与氧气析出反应(OER)，这是获得清洁氢能的非常有前景的方法。由于ORR、OER和HER的多电子转移过程与缓慢动力学，需要高效的电催化剂来降低反应过电势并提高转化效率。迄今为止，单功能的OER或者ORR电催化剂已取得重要进展。例如，铂(Pt)及其合金基催化剂是有效的ORR/HER催化剂，而钌(Ru)/铱(Ir)及其氧化物代表了OER最先进的催化剂材料。然而，据本公开发明人研究所知，这种贵金属基催化剂储量有限，成本高，稳定性差，且通常不能同时用作ORR、HER和OER的多功能电催化剂。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开的目的是提供一种氮化钴嵌入多孔氮掺杂石墨烯材料及制备方法与应用，该材料在碱性溶液中对ORR、HER和OER表现出有效的多功能催化活性。

为了实现上述目的，本公开的技术方案为：

第一方面，本公开提供了一种氮化钴嵌入多孔氮掺杂石墨烯材料，包括氮掺杂石墨烯及Co_5.47N纳米颗粒，所述氮掺杂石墨烯表面有蠕虫状迹线的孔状结构，Co_5.47N纳米颗粒镶嵌在蠕虫状迹线的孔状结构的末端。

本公开提供的材料中Co_5.47N纳米颗粒镶嵌在蠕虫状迹线的孔状结构的末端，可以促进相应反应的快速界面电子转移和离子扩散，同时能够有效地抑制氮化钴纳米颗粒的聚集和粉碎，从而使得本公开的材料在碱性溶液中对ORR、HER和OER表现出有效的多功能催化活性。

第二方面，本公开提供了一种氮化钴嵌入多孔氮掺杂石墨烯材料的制备方法，向氧化石墨烯的分散液中依次加入醋酸钴、单宁酸混合均匀获得悬浮液，将悬浮液中的固体物料分离出来后，在氮气和氨气混合气氛下加热至不低于600℃进行热解。

本公开中单宁酸存在苯环结构，能够与氧化石墨烯形成π-π堆积的静电相互作用，使得单宁酸能够稳定的结合在氧化石墨烯上，同时单宁酸存在酚羟基能够与Co²⁺离子螯合形成稳定的五元螯合环，进而能够通过单宁酸将Co²⁺离子分散至氧化石墨烯表面。其次，通过实验发现仅有醋酸钴才能通过上述方法在氮掺杂石墨烯上嵌入Co_5.47N，而其他的钴盐，例如氯化钴、硝酸钴、硫酸钴等，均无法在氮掺杂石墨烯上嵌入Co_5.47N。第三，本公开的制备方法能够使形成的Co_5.47N纳米粒子在还原氧化石墨烯表面上的热蚀刻运动将导致在氮化过程中形成蠕虫状孔，这将产生更多的表面缺陷以增强电催化活性。

第三方面，本公开提供了一种上述氮化钴嵌入多孔氮掺杂石墨烯材料在金属空气电池领域和/或电解水中的应用。