[发明专利]一种碳基催化剂的制备方法

说明书

本发明提供了一种碳基催化剂的制备方法，属于新能源材料领域。本发明不同于传统有机溶剂合成金属‑有机骨架材料的方法，使用短链乙醇胺基结构诱导试剂调节溶液结晶条件，先通过弱配位来捕获钴离子，再利用具有更强结合作用的有机配体对其进行替换结合，实现了在水溶液中制备获得高产率、形貌较为均一、具有高结晶度的金属‑有机骨架前驱体材料，经过非氧环境下高温热解、酸洗可得到氮掺杂纳米碳管催化剂，该催化剂在酸碱性条件下具有优异的氧还原和氧析出催化活性，在锂氧电池和锌空气电池中也均表现出了良好的充放电性能和循环稳定性。本发明制备工艺经济简单，前驱体产率高，可大规模制备，催化剂性能良好。

技术领域

本发明属于纳米材料及电化学新能源领域，具体为一种碳基催化剂的制备方法及其在金属-空气电池中的应用研究。

背景技术

在面临着传统化石燃料污染增多和对新型能源有迫切需求的当今，发展和研究集高比能量、高稳定性、质量轻、价格低、无毒和环保等优点于一体的新型储能电池——金属空气电池格外有必要，而就研究最多的两类金属空气电池——锂氧电池和锌空气电池而言，空气极催化剂的限制却是其难以取得重大突破的关键所在，也是众多科研人员倾心尽力奋斗的一大方向。

碳材料是在诸多领域中都备受大家关注的一种材料，其优点颇多，如具有优良的电子电导率，质量密度较小，来源丰富，成本低，它们的比表面积和孔结构也可以被调控以获得复杂的表面、层级孔结构和大的比表面积，在金属空气电池领域也作为最吸引力的空气极催化剂之一深受追捧。其种类繁多，制备方法多样，其中金属-有机骨架衍生碳却逐渐成为制备碳基催化剂的一个有效策略，不过金属-有机骨架前驱体材料的合成条件不一，所用溶剂常以有机类甲醇、乙醇等为主，这在经济、环保上是有缺陷的，而以绿色环保的水为溶剂则少一又少，主要是可能在于产物在水中结晶性和热稳定性差，产率较低，产物形貌也可能不均一。

而本发明则可改善上述劣势，以绿色环保的水为主要溶剂，在添加乙醇胺基结构诱导试剂的条件下可实现高产率纳米级金属-有机骨架前驱体材料的合成，其具有高结晶度，粒径可控且形貌较为均一，高温碳化后可得到表面丛生的纳米碳管，具有较大的比表面积，能提供大量的氧催化活性位点。此方法材料来源广，催化剂制备方法简单，经济廉价且易于大规模合成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高效催化活性的碳基催化剂及其制备方法与应用，在水溶剂中添加乙醇胺基结构诱导试剂，通过配体交换的方式提供了一种简便且可大量合成金属-有机骨架前驱体材料的方法，最终可得到具有高ORR和OER双功能催化活性的纳米碳管基催化剂。

本发明通过以下技术方案予以实现上述目的：

一种碳基催化剂的制备方法，其特征在于，使用乙醇胺基结构诱导试剂，通过配体交换，获得高产率的金属-有机骨架材料，碳化后获得高催化活性的碳基催化剂，具体制备步骤如下：

（1）将适量的金属盐和有机配体分别溶于等量的水中，得到澄清的金属盐溶液A和配体溶液B；

（2）向上述金属盐溶液A中再加入一定量的乙醇胺基结构诱导试剂得到溶液C；

（3）将配体溶液B和溶液C混合得到乳液D；

（4）将（3）中的乳液D置于不同温度下结晶得到金属-有机骨架材料；

（5）将（4）中反应后的产物在无氧或低氧氛围下高温热解，并酸洗得到相应碳基催化剂。

一种碳基催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中金属盐包括但不限于硝酸盐、氯化盐、乙酸盐、硫酸盐的一种或多种，金属离子为钴离子、锌离子、镍离子的一种或多种，有机配体为2-甲基咪唑、间二苯酚、均苯三甲酸的一种或多种。

一种碳基催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中金属盐和有机配体的摩尔比为4:1-1:50，所用水与金属盐的质量比为200:1-1:1。