[发明专利]一种氮硫共掺杂碳包覆过渡金属纳米硫化物电化学氧催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种氮硫共掺杂碳包覆过渡金属纳米硫化物电化学氧催化剂的制备方法：(1)取2,6‑二乙酰吡啶单体溶液，加入含硫的氨基单体，搅拌溶解，加酸，升温，反应；(2)冷却，加入含过渡金属的无机盐反应，蒸发，干燥、研磨；(3)第一次热裂解，冷却至室温，所得物质酸洗、干燥；(4)第二次热裂解，即得氮硫共掺杂碳包覆过渡金属纳米硫化物电化学氧催化剂。本发明制备所得氮硫共掺杂碳包覆过渡金属纳米硫化物电化学氧催化剂由过渡金属硫化物、碳、氮和硫组成，该材料具有高度石墨化碳层包覆过渡金属硫化物的结构特征，同时具备导电性良好、介孔和大孔结构，表面缺陷多，双功能氧(氧还原和析氧)催化性能高效等特点。

技术领域

本发明涉及电化学新能源催化材料领域，特别涉及一种氮硫共掺杂碳包覆过渡金属纳米硫化物电化学氧催化剂的制备方法。

背景技术

在化石燃料和可再生能源的过渡中，我们必须面对能源收集、转换、储存和释放日益增长的需求。为了实现更好的能源利用，发展先进技术(水分解装置、燃料电池到金属空气电池)是现代社会的一个主题。在我们工业和日常生活的各个方面，电源对驱动的各种设备起着至关重要的作用，从大型电网储能系统到汽车和小型电子设备[J.Mater.Chem.A,2019,7,18183]。锂离子电池是迄今为止最成功的电源，已广泛应用在各种领域。然而，电极材料的安全性和高成本以及能量密度的限制，使锂离子电池难以攀登新的高峰[J.Mater.Chem.A,2016,4,14050–14068]，[Adv.Sustainable Syst.,2017,1,1700036]。在众多的能源转换/存储系统中，高能量密度、低成本、环保、安全的可充电金属-空气电池被认为是下一代先进能源装置的有前途的候选者[Chem.Sci.,2019,10,8924–8929]。

金属-空气电池从大气中吸取氧气，不需要在正极中储存反应物，具有极高的能量密度。一系列的金属，如锂、钠、镁、铝、锌和铁适合作阳极材料。在所有金属电极中，Li电极是研究最多的，近十年来相关研究呈爆炸式增长。即使考虑形成的Li₂O₂或Li₂O，一个锂空气电池的理论能量密度仍是吸引人的，然而，在锂-空气系统中锂的反应性非常强，不可避免地面临着安全风险[J.Am.Chem.Soc.,2011,133,18038–18041]。因此，许多研究者为解决这些困难，实现其商业化付出了巨大的努力。另一方面，其他金属，如目前锌、铁、铝等活性较低、含量较高的物质应用与金属空气电池较为可行[Chem.Sci.,2019,10,8924]。更重要的是，回顾过去，这些电极已经在各种电化学体系中进行了研究。此外，我们也看到了显著的商业化案例，如初级锌-空气电池用于助听器，这是一个成熟的技术。这些成就与材料科学和能源技术的最新进展相结合，构成了目前发展新一代金属空气电池的基础。例如，随着人们对可穿戴设备越来越感兴趣,新材料与新技术已被引入传统的金属空气电池系统以实现灵活的电源。在这方面，研究人员已经取得了很大进展，特别是在锌-空气电池方面[Adv.Energy Mater.,2019,9,1802605]。但该电池的空气阴极电极制备过程需要高性能催化剂和特殊的电极结构，这些问题严重制约了锌-空气电池的产业化进程。

锌-空气电池阴极是由均匀负载电催化剂的空气阴极碳纸/碳布组成，该电极在锌-空电池的充放电过程中分别进行着氧还原反应(ORR)和析氧(OER)反应[Chem.Commun.2015,51,2710]。氧还原反应和析氧反应作为两个至关重要的两个半反应，由于其四电子转移过程的缓慢和O＝O形成/打断所需的高活化能，是整个锌-空气电池的瓶颈[Adv.Energy Mater.2011,1,34–50]。开发有效的电催化对于降低反应过电位、改善反应动力学具有重要的推动作用。迄今为止，贵金属基催化剂Pt被认为是ORR反应最高效的催化剂，贵金属IrO₂和RuO₂被认为是OER最活跃的电催化剂[Nat.Commun.2013,4,1805]，但它们的稀缺性和高价性严重阻碍了电池的大规模实际应用。因而，亟需去寻找和探索一些资源丰富和价格低廉的非贵金属催化剂来推动锌-空电池的发展。