[发明专利]一种高分散度钴氮碳催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高分散度钴氮碳催化剂及其制备方法，属于催化剂材料制备技术领域。所述钴氮碳催化剂以带负电荷的碳为载体，与连接Co的配体发生碳化形成Co‑N‑C结构。所述述钴氮碳催化剂的制备方法包括：将碳载体分散液与有机配体溶液混合，使所述有机配体吸附在所述碳载体表面；加入钴金属盐溶液，形成金属离子为中心，碳载体吸附的有机配体为桥连的周期性网络结构多孔材料；纯化处理后的样品在惰性气体保护下煅烧，得到高分散度的钴氮碳催化剂。本发明选择了具有特殊表面性质的原料体系，提出了利用带正电荷的钴氮碳前驱体和带负电荷的碳载体之间静电吸附的相互间结合力，有效提高了CoNC在载体上的分散度并能充分利用高比表面载体的吸附位点。

技术领域

本发明属于催化剂材料制备技术领域，尤其涉及一种高分散度钴氮碳催化剂及其制备方法。

背景技术

钴氮碳(CoNC)催化材料具有优越的催化活性，经常被用于各种电池的催化反应，它的孔道结构可以为氧气和金属离子传输提供足够空间，而CoNC中存在的大量化学缺陷和活性位点形成的复合效应可以使催化活性大幅的提高。通过形貌和成分的调控可以在一定程度上进一步提高催化活性，但在钴氮碳材料的液相制备的过程中，由于晶核在母液中的生长速度较快，在大批量生产的过程中，经常会发生产品微观颗粒粒径偏大的问题，导致其比表面积较低无法充分发挥其催化活性，因此控制其分散程度和颗粒粒径尺寸是该催化剂合成过程中的一个关键技术。

目前常见的高分散度钴氮碳的合成方法主要分为两类，一类是利用模板法，比如专利文献(201310280066.6)中报道的采用有序介孔二氧化硅作为模板，然后将模板与钴盐、邻菲罗啉混合，干燥后煅烧，最后用HF去除SiO₂模板即可得到钴氮碳。但是模板法一般合成过程较为复杂，且合成过程中的需要采用HF等危化品刻蚀掉模板，不利于安全生产。另一类是将钴氮碳前驱体负载在高比表面的载体上，比如专利文献(201810035575.5)报道的以氮修饰的碳纳米管为载体，通过浸渍法吸附钴的前驱体盐之后，再进行高温热解，最终得到钴氮碳材料。但是负载的方法受限于载体的表面性质以及载体与钴氮碳前驱体之间相互的结合力情况，工业生产中常见钴氮碳活性位负载均匀性差，钴元素分散度低等情况，导致其电化学性能降低。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

为了解决现有技术中钴氮碳活性位负载均匀性差、负载量少、分散度低的技术问题，提供了一种高分散度钴氮碳催化剂及其制备方法。

本发明第一方面提供一种高分散度的钴氮碳催化剂，该钴氮碳催化剂以带负电荷的碳为载体，与连接Co的配体发生碳化形成Co-N-C结构。

在一些实施方式中，上述钴氮碳催化剂表面积为600～700m²/g，介孔的直径在2.0～10.0nm左右，孔容为0.1～0.5cm³/g。

本发明第二方面提供一种钴氮碳催化剂的制备方法，包括：

将碳载体分散液与有机配体溶液混合，使上述有机配体吸附在上述碳载体表面，由于所选碳具有高比表面积和多孔结构，在物理吸附作用下使得有机配体能够和碳粉充分接触；

在剧烈搅拌下迅速加入钴金属盐溶液，由于Co在溶液中以Co²⁺形式存在，处于缺电子状态，可以与2-甲基咪唑中的N多余的孤对电子发生配位，形成金属离子为中心，碳载体吸附的有机配体为桥连的周期性网络结构多孔材料(ZIF-67)；

保持剧烈搅拌一段时间使上述混合溶液充分分散和混合均匀，接着将混合均匀的溶液静置陈化，由于碳载体本身为碱性，带有负电荷，而生成的ZIF-67带正电荷，在充分的搅拌和静置陈化过程中，载体与含钴前驱体(ZIF-67)之间的电荷吸附充分平衡，使二者能够紧密结合，陈化时间控制在20-30h范围内，完成陈化后的样品进行纯化处理；