一种负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料的制备方法，将生物质材料进行氮掺杂处理得到掺氮碳材料，为Co/CoO异质结提供了大比表面积的载体，有助于增大与电解液的接触，降低电化学反应过程中的极化现象；然后以恒流电沉积法在氮掺杂碳材料管道上负载金属化合物，该方法可有效的控制金属的负载量，同时使金属化合物形成均匀的片层结构，有效增大反应的有效面积。本发明专利技术还公开了负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料，该复合材料具有Co/CoO异质结构，表现出良好的催化活性作用。以氮元素掺杂碳材料形成C

【技术实现步骤摘要】
一种负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于生物质基电催化储能
，涉及一种负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]目前，环境危机和能源短缺引起了科学家们的共同关注，大量研究致力于开发可再生能源的高效转换装置。可充电锌
‑
空气电池因具有较高的理论能量密度1086Wh kg
‑1、环境友好、电解质稳定安全等优点引起了广泛关注。锌
‑
空气电池主要由金属锌阳极、空气阴极、电解液和隔膜等构成。其中空气阴极包含疏水性气体扩散层(GDL)和亲水性催化层，电极反应包括放电时的氧还原反应(ORR)和充电时的析氧反应(OER)。ORR和OER缓慢的动力学导致锌
‑
空气电池的性能不好。电池中的ORR反应主要发生在气液固三相界面上，构建丰富的三相界面有利于催化活性位点参与反应，提升阴极反应的反应速率，进而提升锌
‑
空气电池的各项指标。构建高效空气电极是提升锌
‑
空气电池性能的重要途径。界面工程和催化剂的本征催化活性在电极构建中起着同样重要的作用。
[0003]过渡金属基ORR/OER双功能催化剂主要包括其氮化物，硫化物，磷化物等。通过缺陷创造、形貌调控和电子结构优化可进一步提高了过渡金属固有电催化活性和动力学快慢。将催化金属纳米粒子与高导电性的多孔碳材料(例如碳纳米管，碳纤维和石墨烯纳米片等)复合是提升催化剂催化活性和稳定性的有效途径。杂原子掺杂可以调节碳基质的电子构型，增加载体与过渡金属纳米颗粒的相互作用，有效阻止金属纳米颗粒聚集。发生在锌
‑
空气电池空气电极上的ORR反应主要发生在气液固三相界面区域。只有位于界面区域的催化剂才能充分发挥催化作用。在电极上最大限度地构建三相界面以使更多的催化活性位点参加反应，是提升锌
‑
空气电池性能的有效策略。
[0004]泡桐是在我国分布十分广泛，具有巨大的潜在应用价值。目前，我国普遍用泡桐木作家具等，属于初级加工应用。泡桐木的有序分层结构为功能材料的设计提供了理想的模板，垂直管道结构是极好的传质通道。这种分层结构非常有利于3D整体催化材料的构建，并应用于三相界面的催化反应。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料的制备方法，具有条件温和、步骤简单的特点。
[0006]本专利技术的目的之二在于提供负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料，该复合材料具有形貌均匀、比表面积大、催化活性好等特点。
[0007]本专利技术的目的之三在于提供负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料在锌
‑
空气电池中的应用。
[0008]本专利技术的目的之一采用如下技术方案实现：
[0009]一种负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)将木材原料浸泡在含有NH
4+
的水溶液中，浸泡结束后干燥、惰性气氛下煅烧得到氮掺杂碳材料，记为NWC；
[0011](2)将步骤(1)制备得到的NWC浸没于含有Co
2+
和Na
+
的混合溶液中，经电沉积过程制备得到负载Co(OH)2的氮掺杂碳材料，记为Co(OH)2@NWC；
[0012](3)将步骤(2)制备得到的Co(OH)2@NWC在惰性气氛下煅烧，得到最终产物负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料，记为Co/CoO@NWC。
[0013]进一步地，所述混合溶液为Co(NO3)2·
6H2O和NaNO3混合溶液，Co(NO3)2·
6H2O和NaNO3的摩尔3浓度比为10:1。
[0014]进一步地，所述氮掺杂碳材料与Co(NO3)2·
6H2O的质量比为1:15。
[0015]进一步地，所述氮掺杂碳材料为氮掺杂的碳化泡桐木。
[0016]进一步地，所述步骤(1)中水溶液为4mol/L的NH4Cl水溶液，浸泡时间12
‑
24h；煅烧过程为在500℃下保持1h，然后在900℃下保持2h。
[0017]进一步地，所述步骤(2)电沉积过程的电流密度为0.1mAcm
‑2，沉积时间2h。
[0018]进一步地，所述步骤(3)惰性气氛为氩气，煅烧温度为500℃，时间1h。
[0019]本专利技术的目的之二采用如下技术方案实现：
[0020]由上述方法制备得到的负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料。
[0021]本专利技术的目的之三采用如下技术方案实现：
[0022]上述负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料在锌
‑
空气电池中的应用。
[0023]进一步地，所述负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料作为锌
‑
空气电池阴极催化剂的应用。
[0024]相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：
[0025]1.本专利技术提供了负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料的制备方法，首先将生物质材料进行预处理，得到氮掺杂碳材料
━
氮掺杂碳化木片，保留了生物质材料原有的垂直管道结构有助于加大催化剂的比表面积，增大与电解液的接触，降低电化学反应过程中的极化现象。
[0026]本专利技术通过恒流电沉积法构建Co/CoO异质结构负载氮掺杂碳复合材料(Co/CoO@NWC)，具有反应条件温和、操作简单的优点。该方法可有效的控制金属的负载量，同时使金属化合物形成均匀的片层结构，均匀的负载在氮掺杂碳材料的管壁上，有效增大反应的有效面积。
[0027]2.本专利技术还提供了上述方法制备得到的负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料，该复合材料可作为催化剂用于锌
‑
空气电池阴极材料，表现出良好的催化活性及稳定性。该复合材料具有Co/CoO异质结构，表现出良好的催化活性作用。以氮元素掺杂碳材料形成C
‑
N键，增加了催化反应的活性位点。
[0028]3.本专利技术还提供了负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料在锌
‑
空气电池中的应用，将Co/CoO@氮掺杂碳复合材料作为锌
‑
空气电池阴极材料，其最大放电功率密度高达152.8mW/cm2，远优于商业20％Pt/C和RuO2混合物的性能。同时表现出超高的稳定性，以10min充电和10min放电为一个周期，本专利技术的负载Co/CoO的氮掺杂碳可维持270h且几乎没有衰减。
附图说明
[0029]图1为本专利技术实施例1、对比例1至3制备得到的产物的XRD图谱；
[0030]图2为本专利技术实施例1制备得到的产物的形貌表征图，其中2a为SEM图，图2b为TEM图，图2c、2d为HRTEM图；
[0031]图3为本专利技术实施例1制备得到的产物的XPS图谱，其中3a为XPS全谱图，图3b为C1s和Co2p的高分辨X本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将木材原料浸泡在含有NH
4+
的水溶液中，浸泡结束后干燥、惰性气氛下煅烧得到氮掺杂碳材料，记为NWC；(2)将步骤(1)制备得到的NWC浸没于含有Co
2+
和Na
+
的混合溶液中，经电沉积过程制备得到负载Co(OH)2的氮掺杂碳材料，记为Co(OH)2@NWC；(3)将步骤(2)制备得到的Co(OH)2@NWC在惰性气氛下煅烧，得到最终产物负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料，记为Co/CoO@NWC。2.如权利要求1所述的负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述混合溶液为Co(NO3)2·
6H2O和NaNO3混合溶液，Co(NO3)2·
6H2O和NaNO3的摩尔浓度比为10:1。3.如权利要求1所述的负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料的制备方法，其特征在于，氮掺杂碳材料与Co(NO3)2·
6H2O的质量比为1:15。4.如权利要求1所述的负载Co/CoO...

【专利技术属性】
技术研发人员：李保军，武现丽，刘艳艳，崔星宇，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：