[发明专利]一种2D-Co@NC复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电催化技术领域，涉及一种2D‑Co@NC复合材料及其制备方法和应用。本发明通过以水作溶剂合成2D‑ZIF前驱体，随后高温碳化后得到厚度为1‑10nm的氮掺杂碳纳米片上分布着2‑6nm金属Co纳米颗粒的2D‑Co@NC复合材料，本发明制备的2D‑Co@NC复合材料比表面积大，且呈现分级的介孔结构，氮含量高，金属颗粒尺寸小且分布均匀。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，涉及一种2D-Co@NC复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

能源和环境问题已经成为二十一世纪最重要的问题，可持续能源转换和储存技术的应用有望缓解能源和环境日益加剧，如燃料电池、金属-空气电池和水分解技术。氧还原反应(ORR)、氧析出反应(OER)和氢析出反应(HER)作为三个重要的催化反应过程，在能源存储以及转换装置中对其效率和循环使用寿命取着决定性的作用。然而，基于催化过程发生在多相界面，且经过多步电子转移过程，三个催化反应动力学十分缓慢。Pt基催化剂作为高效的ORR和HER催化剂，Ru-/Ir-基催化剂作为高效的OER催化剂。然而，成本高、资源稀缺以及稳定性差的缺点限制贵金属催化剂在能源存储和转换领域的广泛应用。且贵金属催化剂的双功能性很差，不能同时高效的催化两个或三个催化反应，例如，可充电的金属-空气电池在充电过程催化剂发生OER反应，在放电过程发生ORR反应。全水解需要在阴极和阳极分别发生HER和OER反应。因此，研发低成本、高效率以及稳定性的三功能催化剂对可充电金属-空气电池以及全水解具有重要意义。

近年来，金属有机框架作为一种新型的碳复合材料引起了广泛的关注。沸石咪唑框架作为MOF材料的一类，其具有丰富C源和N源，且孔结构可调节性强，ZIFs衍生的碳基电催化剂受到广泛的关注。ZIFs可以作为前驱体提供碳源和氮源，也可以作为催化剂合成的模板。例如，由ZIF-8为前驱体制备的N掺杂碳催化剂，由ZIF-8为前驱制备的Zn-N-C单原子催化剂，由ZIF-67为前驱体制备的Co/Co-N-C催化剂，由Zn/Co-ZIF制备的Co负载的氮掺杂碳催化剂，以及Zn/Co-ZIF为前驱体制备的Co-N-C单原子催化剂。上述催化剂均是高效的ORR催化剂。基于ORR、OER以及HER催化反应的活性位点不相同，在制备多功能催化剂时需要复杂的合成步骤来实现物相转换，从而制备出具有多功能催化剂的活性物种。例如，用ZIF-8@ZIF-67的核壳结构合成ORR/OER双功能催化性能的催化剂，基于ZIF-8产生的N掺杂碳微孔结构的内核，ZIF-67产生Co修饰的N掺杂的介孔石墨碳外壳。采用聚苯胺和ZIF-67复合后热解制备Co纳米颗粒、Co₃O₄以及N掺杂碳的多功能催化剂。采用一次碳化后二次磷化过程制备Co/CoP的多功能催化剂。然而，上述MOF直接制备或是做模板制备的催化剂存在以下缺点，1)在合成过程中采用了对环境有害的有机溶剂，例如甲醇和DMF；2)ZIFs纳米颗粒的比表面积比较低，不能充分暴露催化剂的活性位点；3)简单的合成方法只能得到单一功能的催化剂，要合成双功能或是多功能的催化剂需要复杂的制备方法。

中国专利申请文件(公开号：107159297A)公开了一种双功能氧催化剂钴/四氧化三钴/氮碳复合材料及其制备方法，其制备的复合材料表现出优异的双功能氧电极催化活性，在碱性溶液中核-壳结构的Co@Co₃O₄纳米颗粒包封在石墨化的N掺杂多孔碳中表现出良好的稳定性，但是其采用有机溶剂甲醇合成前驱体，制备方法复杂，且需要经过一次碳化后二次氧化的制备过程。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种简单、环保、呈现出良好的催化活性和稳定性的2D-Co@NC复合材料。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种2D-Co@NC复合材料，所述的复合材料为纳米片层结构，片层的氮掺杂碳材料上分布有金属Co纳米颗粒。

在上述的一种2D-Co@NC复合材料中，所述纳米片层厚度为1-10nm，金属Co纳米颗粒的粒径为2-6nm。