一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂及其制备方法和应用。本发明专利技术提供了一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂，将沸石咪唑酯骨架结构材料前驱体限域生长在二氧化硅光子晶体模板中，在氩气气氛下升温热解碳化并除模板后即得。该催化剂具有独特的三维有序的蜂窝状多级孔结构，是一种能够同时高效电催化氧还原、氧析出和析氢反应的三功能催化剂，具有良好的金属位点分散性和电催化活性，且该催化剂的制备方法简单易行、成本低。因此，本发明专利技术制备得到的催化剂在制备清洁能源器件中具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于催化剂
更具体地，涉及一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
电催化氧还原、氧析出和析氢反应是多种清洁能源器件(如燃料电池、水分解装置或金属-空气电池)的核心反应。发展高效且稳定的双/三功能催化剂，对这些能源器件来说是非常重要和迫切的。尽管商用的贵金属基催化剂(如Pt/C和RuO2等)对电催化氧还原、氧析出和析氢反应中的某一个或两个反应具有良好的催化活性。但是，这些昂贵的催化剂在商业化的过程中，受限于贵金属的低地球储量和较差的使用稳定性。因此，探索新型的非贵金属基催化剂的材料，成为了当前的研究热点。非贵金属基催化剂尤其是碳基材料，由于其具有大的比表面积、高导电性以及优良的物理化学稳定性等优势，受到了人们的广泛关注。在各种各样的碳基材料中，过渡金属高度分散的催化剂能够实现活性位点的充分暴露和利用。目前，人们已经研制出了多种高度分散的过渡金属基碳催化剂，例如钴-氮/碳(Co-N-C)，镍-氮/碳(Ni-N-C)和铁-氮/碳(Fe-N-C)等。然而，现有的材料受限于单功能或双功能反应活性。尽管，YuanPan等研究显示一种高度分散的Fe-N-C材料能够同时实现电催化氧还原、氧析出和析氢反应，但是其氧析出和析氢活性仍旧难以满足清洁能源器件对催化剂的需求(YuanPan，ABimetallicZn/FePolyphthalocyanine-DerivedSingle-AtomFe-N4CatalyticSite:ASuperiorTrifunctionalCatalystforOverallWaterSplittingandZn-AirBatteries，2018)。另外，研究显示Fe-N4结构的活性位相比于氧析出和析氢反应来说更有利于氧还原反应；因此，如何探索新的方法来制备能够同时实现高效电催化氧还原、氧析出和析氢反应的高度分散的材料仍旧是一个重大的挑战。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有高度分散的材料作为催化剂的缺陷和不足，提供一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂及其制备方法和应用。本专利技术的目的是提供一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂。本专利技术另一目的是提供所述三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂的制备方法。本专利技术又一目的是提供所述方法制备得到的催化剂。本专利技术再一目的是提供所述催化剂在制备清洁能源器件中的应用。本专利技术上述目的通过以下技术方案实现：本专利技术首先提供了一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂，将沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIF)前驱体限域生长在二氧化硅光子晶体模板中，在氩气气氛下升温热解碳化并除模板后即得。本专利技术还提供了所述三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂的制备方法，包括以下步骤：S1.将碳纤维布加电压进行电化学氧化处理后，加入单分散的二氧化硅微球分散液，烘干，得到二氧化硅光子晶体模板；S2.将六水合硝酸钴和六水合硝酸锌混合溶解，加入2-甲基咪唑，随后将混合溶液加入到步骤S1得到的二氧化硅光子晶体模板中，烘干，得到前驱体(Zn/Co-ZIF晶体)；S3.将步骤S2得到的前驱体在氩气气氛下升温后热解碳化，酸洗，干燥，即得所述催化剂。本专利技术通过精确调控前驱体中步骤S2不同金属配体的含量以及二氧化硅光子晶体模板的引入，能够将前驱体限域生长在二氧化硅模板空隙里面；通过控制高温热解条件、并进行后续模板的酸洗处理，实现了钴在蜂窝状碳基体上的高度分散，充分暴露了相关电化学反应所需的活性位点。当制备所述催化剂的粉末样品时，则在步骤S1中不加入碳纤维布作为基底。优选地，步骤S2中六水合硝酸钴、六水合硝酸锌和2-甲基咪唑的质量比为1：2～4：11。更优选地，步骤S2中六水合硝酸钴、六水合硝酸锌和2-甲基咪唑的质量比为1：4：11。优选地，步骤S3所述升温的速率为2℃～10℃/min。更优选地，步骤S3所述升温的速率为5℃/min。优选地，步骤S3所述热解碳化的温度为800℃～1100℃。更优选地，步骤S3所述热解碳化的温度为950℃。另外，本专利技术研究发现该催化剂是一种能够同时高效电催化氧还原、氧析出和析氢反应的三功能催化剂。其对电催化氧还原、氧析出和析氢反应均有较好的催化活性；因此，所述催化剂、所述方法制备得到的催化剂及其在制备清洁能源器件中的应用，均应在本专利技术的保护范围之内。优选地，所述清洁能源器件为锌-空气电池或全水分解装置。本专利技术具有以下有益效果：1)本专利技术通过结合硬模板以及精确调控前驱体的成分和热解过程，避免了大块钴基纳米颗粒的形成，有效地提高了该催化剂中金属活性位点的分散性，构建了具有三维有序多孔的高分散的钴氮双掺杂碳结构，制备得到了三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂。2)该催化剂是一种能够同时高效电催化氧还原、氧析出和析氢反应的三功能催化剂，具有独特的三维有序的蜂窝状多级孔结构；其介孔-微孔结构能够提供大的表面积，有利于活性位点的充分暴露和利用；其大孔结构能够有利于物质的传输和电解质与电极的有效接触；其三维连续的蜂窝状结构有利于反应过程中电子的传输。该催化剂独特的结构能够使得材料的本征活性得到充分的利用。3)本专利技术还提供了该催化剂的制备方法，简单易行，与贵金属基催化剂Pt/C和RuO2相比，具有显著的成本优势；因此，本专利技术制备得到的催化剂在制备清洁能源器件(如锌-空气电池或全水分解装置)中具有潜在的应用价值。附图说明图1是三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂的SEM图。图2是三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂的TEM图。图3是三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂的孔径分布曲线；其中，“Porewidth”代表孔径，“dV/dWporevolume”代表对应孔径的体积分布。图4是三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂的氧还原线性扫描伏安(LSV)曲线；其中，“Potential”代表相对于可逆氢电极的电位，“Currentdensity”代表电流密度。图5是三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂的氧析出线性扫描伏安(LSV)曲线；其中，“Potential”代表相对于可逆氢电极的电位，“Currentdensity”代表电流密度。图6是三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂的析氢线性扫描伏安(LSV)曲线；其中，“Potential”代表相对于可逆氢电极的电位，“Currentdensity”代表电流密度。具体实施方式以下结合具体实施例来进一步说明本专利技术，但实施例并不对本专利技术做任何形式的限定。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。实施例1三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂的制备一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂的制备方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂，其特征在于，将沸石咪唑酯骨架结构材料前驱体限域生长在二氧化硅光子晶体模板中，在氩气气氛下升温热解碳化并除模板后即得。/n

【技术特征摘要】
1.一种三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂，其特征在于，将沸石咪唑酯骨架结构材料前驱体限域生长在二氧化硅光子晶体模板中，在氩气气氛下升温热解碳化并除模板后即得。


2.权利要求1所述三功能钴氮双掺杂碳基光子晶体催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将碳纤维布加电压进行电化学氧化处理后，加入单分散的二氧化硅微球分散液，烘干，得到二氧化硅光子晶体模板；
S2.将六水合硝酸钴和六水合硝酸锌混合溶解，加入2-甲基咪唑，随后将混合溶液加入到步骤S1得到的二氧化硅光子晶体模板中，烘干，得到前驱体；
S3.将步骤S2得到的前驱体在氩气气氛下升温后热解碳化，酸洗，干燥，即得所述催化剂。

【专利技术属性】
技术研发人员：余丁山，方正松，杨美佳，李靖，袁中柯，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44