一种锌空气电池用二硫化钴/氮硫共掺杂介孔碳复合催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术涉及锌空气电池阴极材料技术领域，尤其涉及一种锌空气电池用二硫化钴/氮硫共掺杂介孔碳复合催化剂及其制备方法，该催化剂以氮硫共掺杂介孔碳作为基体，内部原位负载纳米级二硫化钴颗粒。该催化剂材料（CoS2/NSC

【技术实现步骤摘要】
一种锌空气电池用二硫化钴/氮硫共掺杂介孔碳复合催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锌空气电池阴极材料
，尤其涉及一种锌空气电池用二硫化钴/氮硫共掺杂介孔碳复合催化剂及其制备方法，旨在通过表面活性剂分散金属颗粒，将沥青碳化形成无定型碳，得到一种能够同时提高ORR和OER的催化活性的方法。

技术介绍

[0002]锌空气电池（ZAB）由其较高的理论能量密度（1086 Wh kg
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1）、低价格和高安全性而被认为是电化学能源技术的最佳选择。然而，由于空气电极反应迟缓和耐久性低引起的低能效和低稳定性阻碍了可再充电锌空气电池的应用。目前，贵金属材料是 ORR/OER 最有效的催化剂，但贵金属高昂的成本、较差的双功能活性及稳定性极大地限制了其发展。此外，单组分催化剂不能同时有效地催化氧还原（ORR）和析氧反应（OER），高成本和短循环寿命也限制了它们在可充电锌空气电池上的应用。因此，低成本和高效的双功能催化剂的开发迫在眉睫。
[0003]研究表明，硫化钴的的表面电子结构和电荷分布较优，具有暴露的活性位点。但相比贵金属材料，硫化钴的催化活性依旧有所不足，仍具有导电率低、分布差和纳米颗粒附聚的缺点。为了进一步提高它们的催化活性，将硫化钴引入杂原子掺杂的碳材料中以形成复合材料，介孔碳结构可以增加表面积，从而提供更多的活性位点，且有利于传质过程的进行。杂原子的存在将改变碳框架的电子结构，形成更多的缺陷。同时，表面活性剂的加入可以改善硫化钴的分布，减少颗粒附聚。
[0004]授权公告号为：CN 109704301 B名称为一种钴硫共掺杂介孔碳的制备方法及其应用，公开了一种催化剂的制备方法，但是该催化剂主要用于芳香类物质的制备。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题，提供了一种新的技术方案考虑合成CoS2/NSC
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MC材料，提高了锌空电池空气电极的活性，从而提高锌空电池的电化学性能，尤其涉及一种锌空气电池用二硫化钴/氮硫共掺杂介孔碳复合催化剂及其制备方法。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种锌空气电池用二硫化钴/氮硫共掺杂介孔碳复合催化剂及其制备方法，本专利技术制得的催化剂在电催化方面有良好的应用前景，与贵金属催化剂相比原料成本低且来源丰富，制备过程简单，有利于规模化生产。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下具体方案来实现：一种锌空气电池用二硫化钴/氮硫共掺杂介孔碳复合催化剂，该催化剂以氮硫共掺杂介孔碳作为基体，内部原位负载纳米级二硫化钴颗粒。具体是以乙酸钴和沥青为原料，在2
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甲基咪唑配体的辅助下配位锚定钴离子，并以β
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环糊精为分散剂，将钴分散在SBA
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15模板的孔道中，煅烧处理后伴随沥青碳化，钴基物质发生分解，经过去除模板后得到内部固定有Co3O4纳米颗粒的前驱体，继而以升华硫为硫源将Co3O4硫化，维持复合材料的金属内嵌结构，获得以氮硫共掺杂介孔碳作为
基体，内部原位负载纳米级二硫化钴颗粒的二硫化钴/氮硫共掺杂介孔碳复合催化剂材料CoS2/NSC
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MC。其中：所述沥青和乙酸钴的质量比为1:1.2；沥青和SBA
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15模板的体积比为1:0.5 ~ 1:1；乙酸钴与所述β
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环糊精的摩尔比为50:1 ~ 400:1。
[0008]本专利技术还提供了一种锌空气电池用二硫化钴/氮硫共掺杂介孔碳复合催化剂的制备方法，方法包括以下步骤：步骤1：以定量摩尔比分别称取乙酸钴、2
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甲基咪唑和β
‑
环糊精，三者用乙醇或水溶解形成溶液，将三种溶液混合搅拌0.5 h，使乙酸钴与2
‑
甲基咪唑充分配位，β
‑
环糊精形成胶束。
[0009]步骤2: 将步骤1获得混合均匀的混合溶液放置于玛瑙研钵中，加入体积比为1:0.5 ~ 1:1的沥青和SBA
‑
15，在保温灯下均匀研磨使原料与二氧化硅模板充分混合，分散均匀，得到煅烧前驱体；步骤3: 将步骤2获得的煅烧前驱体进行高温分段煅烧，煅烧气氛为氮气气氛，恒温过程中沥青多环芳烃分子在 SBA
‑
15 分子筛模板表面定向锚接自组装，碳化过程中定向排列的结构得到保持使沥青充分碳化，同时使钴转变为Co3O4；步骤4: 将步骤3获得的煅烧产物在1 mol L
‑
1的NaOH溶液中进行碱洗，温度维持在60 ~ 80 ℃，碱洗24 h去除二氧化硅模板；步骤5: 将步骤4获得的产物进行抽滤，用去离子水洗去材料表面残留的NaOH，经过真空干燥得到Co3O4/ NSC
‑
MC前驱体。
[0010]步骤6: 将步骤5获得的Co3O4/ NSC
‑
MC前驱体与升华硫以1:10的比例混合均匀后进行高温煅烧，实现S原子掺杂以及CoS2的转化，得到最终产品CoS2/NSC
‑
MC。
[0011]优选地，所述步骤1中所述乙酸钴与所述2
‑
甲基咪唑的摩尔比为1:10，所述乙酸钴与所述β
‑
环糊精的摩尔比为50:1 ~ 400:1。
[0012]优选地，所述沥青和乙酸钴的质量比为1:1.2。
[0013]优选地，所述二氧化硅模板为SBA
‑
15，孔径尺寸等更为均匀。
[0014]优选地，所述沥青和二氧化硅模板的体积比为1:0.5 ~ 1:1。
[0015]优选地，所述步骤3中高温分段煅烧的顺序为先升温至300 ℃，保温2 h，再继续升温至600 ~ 800 ℃，保温2 h，升温速率为3 ~ 5 ℃ min
‑
1。
[0016]优选地，所述步骤6中高温硫化温度为600 ~ 800 ℃，保温2 h，升温速率为3 ~ 5 ℃ min
‑
1。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：该方案采用乙酸钴和2
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甲基咪唑配位，防止煅烧过程中金属颗粒聚集，同时以β
‑
环糊精作为分散剂，进一步减少颗粒团聚几率，提供了更多的有效活性中心；利用SBA
‑
15模板，制备结构稳定的介孔材料，这种独特的结构使材料具有很高的比表面积，暴露出更多的活性位点，从而提升氧电极催化活性。该制备方法过程简单，得到的催化剂材料结构独特，在能源储存及转化领域中具有广阔的应用前景。
附图说明
[0017]图1是根据步骤5制得Co3O4/NSC
‑
MC前驱体的XRD检测示意图。
[0018]图2是根据步骤6制得的本专利技术一种锌空气电池用二硫化钴/氮硫共掺杂介孔碳复
合催化剂材料的XRD检测示意图。
[0019]图3是根据步骤6制得的本专利技术一种锌空气电池用二硫化钴/氮硫共掺杂介孔碳复合催化剂材料的氮气吸脱附曲线和孔径分布曲线图。
[0020本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锌空气电池用二硫化钴/氮硫共掺杂介孔碳复合催化剂，其特征在于：该催化剂以氮硫共掺杂介孔碳作为基体，内部原位负载纳米级二硫化钴颗粒。2.一种锌空气电池用二硫化钴/氮硫共掺杂介孔碳复合催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：以定量摩尔比分别称取乙酸钴、2
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甲基咪唑和β
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环糊精，三者用乙醇或水溶解形成溶液，将三种溶液混合搅拌0.5 h，使乙酸钴与2
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甲基咪唑充分配位，β
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环糊精形成胶束；步骤2: 将步骤1获得的混合均匀的混合溶液放置于玛瑙研钵中，加入体积比为1:0.5 ~ 1:1的沥青和二氧化硅模板，在保温灯下均匀研磨使原料与二氧化硅模板充分混合，得到煅烧前驱体；步骤3: 将步骤2获得的煅烧前驱体进行高温分段煅烧，煅烧气氛为氮气气氛，首先使沥青熔化并充分浸润二氧化硅模板，随后在高温作用下使沥青充分碳化，同时使钴转变为Co3O4；步骤4: 将步骤3获得的煅烧产物在1 mol L
‑
1的NaOH溶液中进行碱洗，温度维持在60 ~ 80 ℃，碱洗24 h去除二氧化硅模板；步骤5: 将步骤4获得的产物进行抽滤，用去离子水洗去材料表面残留的NaOH，经过真空干燥得到Co3O4/ NSC
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MC前驱体；步骤6: 将步骤5获得的Co3O4/ NSC
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MC前驱体与升华硫以1:10的比例混合均匀后进行高温煅烧，得到最终产品Co...

【专利技术属性】
技术研发人员：王溦，李丽芩，官鸣宇，侯朝辉，陈梁，
申请(专利权)人：湖南理工学院，
类型：发明
国别省市：