一种双功能氧电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双功能氧电催化剂及其制备方法和应用，属于新材料技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种双功能氧电催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及新材料
，尤其是涉及一种双功能氧电催化剂及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]可充电锌
‑
空气电池作为一种可再生的能源装置之一，由于具有高理论能量密度
、
低成本
、
环境友好及高安全性等优点，而成为了新一代能源中理想的候选者之一
。
但目前可充电锌
‑
空气电池在应用中依旧面临严重的问题，例如：能量转换效率低
、
长循环稳定性差
、
充放电循环电流密度低等
。
其中最主要的原因是空气阴极缺少一种可以同时加快
OER
和
ORR
反应速率，并长时间高效稳定运行的双功能氧电催化剂
。
[0003]近年来，钴硫化物作为一种极具前景的电催化模型化合物，已经引起了广泛的关注
。
然而，纯相钴硫化物导电率低
、
活性位点有限
、
本征电催化活性低，这些缺点阻碍了其在可充电锌
‑
空气电池中的广泛应用
。
碳材料具有优异的导电性，因此有技术尝试将钴硫化物与碳材料进行复合，以期提升催化反应活性
。
但是，现有催化剂的制备方法大多基于化学试剂，成本高
、
产量低，难以规模化生产；且催化活性仍有待进一步提升
。
[0004]综上，现阶段，应用于锌<br/>‑
空气电池催化剂的钴硫化物，具有成本高
、
产量低
、
催化活性有待提升等问题
。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一
。
为此，本专利技术提出一种双功能氧电催化剂的制备方法，制得的双功能氧电催化剂，经济效益高，具有较高的
OER
‑
ORR
双功能催化活性
。
[0006]本专利技术还提供了上述制备方法制得的双功能氧电催化剂
。
[0007]本专利技术还提供了上述双功能氧电催化剂的应用
。
[0008]根据本专利技术第一方面的实施例，提供了一种双功能氧电催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤
:
[0009]S1.
酸洗福美钴渣；所述福美钴渣包括金属元素和有机物；所述有机物中包括元素
S、C
和
N
；所述金属元素包括
Co
；
[0010]S2.
煅烧步骤
S1
所得产物；所述煅烧的环境为负压环境
、
惰性气氛或还原性气氛；所述煅烧的温度为
600
～
1000℃
，时长为
60
～
120min
；
[0011]S3.
再次酸洗步骤
S2
所得产物
。
[0012]所述制备方法的机理如下：
[0013]步骤
S1
中，酸洗可对福美钴渣进行除杂，主要去除其中存在的金属杂质
Zn、Ni、Mn、Fe、Cd
等
。
[0014]步骤
S2
中，煅烧具有硫化
、
碳化双重作用，即促使硫元素和钴元素生成硫化钴，促使有机物碳化生成单质碳，并促使有机物中的氮硫等元素掺杂进入热解碳中
。
所得硫化钴
中含有
Co1‑
x
S
和
Co9S8形成的异质界面，所得碳材料为氮硫共掺杂碳材料
。
[0015]步骤
S3
中，酸洗可去除步骤
S2
煅烧过程中产生的金属单质等杂质，并具有孔结构修饰的作用
。
[0016]根据本专利技术实施例的控制方法，至少具有如下有益效果：
[0017]福美钴渣是在湿法炼锌的除钴过程中产生的一种有机废渣
(
例如可以是
N
，
N
二甲基二硫代氨基甲酸盐和钴元素的结合
)
，其中中含有大量
Co、S、C、N
等元素；它的性质非常稳定，湿法工艺条件下几乎不与酸
、
碱和氧化剂反应，处理非常困难；并且，福美钴渣中含有钴
、
锌
、
镍等多种重金属，简单堆存不仅会造成极大的环境污染，而且造成了资源的浪费；因此福美钴渣是非常难处理但具有回收价值的冶金危险固废
。
从成分上看，福美钴渣有望转化为钴硫化物和碳材料；进而作为可充电锌
‑
空气电池的空气阴极催化剂；如此不仅能有效解决福美钴渣对环境的污染，而且可以实现催化剂的低成本制备，是发展循环经济
、
建设资源节约型和环境友好型社会的有效途径
。
[0018]但是，福美钴渣生产催化剂有以下几点难点：
[0019]首先，由于不同企业
、
不同批次产生的福美钴渣成分可能有微小的差异，因此，以福美钴渣为原料生产的催化剂，在组成
、
性能批次稳定性等方面较差
。
本专利技术通过步骤
S1
和步骤
S3
的酸洗，有效解决了上述问题：步骤
S1
去除了制备原料中的金属杂质元素，也就是说，即便所用福美钴渣来源不同，步骤
S1
的酸洗产物的组成不会差别很大；步骤
S3
去除了步骤
S2
煅烧所得酸溶性产物，具体的，去除了金属单质等
。
[0020]再次，如何控制福美钴渣中的
S、C、N
元素等不烧失，并形成对应的化合物是困难的
。
本专利技术通过控制煅烧的气氛
、
温度和时长，可保证硫化反应和碳化反应充分进行，且避免了
S、C、N
元素等不烧失；最终形成了
Co1‑
x
S
和
Co9S8的异质界面，以及氮硫共掺杂的碳；钴硫化物和碳均匀分布
。
[0021]最后，本专利技术通过步骤
S3
的酸洗，还对步骤
S2
所得产物的孔结构进行了修饰，显著提升了产物作为双功能氧电催化剂的催化性能
。
[0022]综上，本专利技术通过制备方法步骤和参数的设计，可以福美钴渣为原料，制备得到性能良好的双功能氧电催化剂；从福美钴渣的角度看，避免了其环境危害，提升了其经济效益；从双功能氧电催化剂的角度看，和传统贵金属催化剂相比，显著降低了其原料成本
。
整体上，本专利技术提供的制备方法简单
、
成本低，适于大规模工业化生产，并已经可实现吨级规模材料的生产
。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种双功能氧电催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤
:S1.
酸洗福美钴渣；所述福美钴渣包括金属元素和有机物；所述有机物中包括元素
S、C
和
N
；所述金属元素包括
Co
；
S2.
煅烧步骤
S1
所得产物；所述煅烧的环境为负压环境
、
惰性气氛或还原性气氛；所述煅烧的温度为
600
～
1000℃
，时长为
60
～
120min
；
S3.
再次酸洗步骤
S2
所得产物
。2.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤
S1
中，所述酸洗采用硫酸水溶液；优选地，所述酸洗用硫酸水溶液的浓度为
0.8
～
1.2g/L
；优选地，步骤
S1
中，所述酸洗的固液比为
1g
：5～
15mL
；优选地，步骤
S1
中，所述酸洗的时长为
15
～
25min。3.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤
S2
中，所述还原性气氛为氢气和惰性气体的混合
。4.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤
S2
中，所述煅烧的温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡久刚，杨亿，朱鹏飞，纪效波，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：