[发明专利]一种LaCoO3/N-rGO复合物及其制备和应用方法

说明书

本发明公开了一种LaCoO₃/N‑还原氧化石墨烯(rGO)复合物及其制备和应用方法，其制备方法为：首先分别通过溶胶‑凝胶法制备LaCoO₃和改进的Hummers方法制备氧化石墨烯(GO)，再在氨水的存在下通过湿化学法制备得到LaCoO₃/N‑rGO复合物；该制备方法简单、成本低，有利于工业化生产；所制备的LaCoO₃/N‑rGO复合物作为可充放金属燃料电池氧还原(ORR)和氧析出(OER)双功能催化剂，活性高，稳定性好，相对于商用20wt％Pt/C、LaCoO₃/rGO和LaCoO₃，具有更好的综合性能，展现出很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种氧还原(ORR)和氧析出(OER)双功能催化的LaCoO₃/N-还原氧化石墨烯 (rGO)复合物及其制备和应用方法，属于电催化技术领域。

背景技术

随着人类可持续发展对绿色、可再生能源需求的不断增长，世界各国正急迫地寻找与开发高效和经济的能量存储与转换装置。可充放金属燃料电池由于其具备极高的理论能量密度、环境友好、安全等特点，被誉为“面向21世纪的绿色能源”。

然而，虽然近年来可充放金属燃料电池技术倍受关注，但是其实际应用除了在不计成本的宇航领域外，还不能达到商业推广的要求，其主要原因是要采用到高成本的贵金属Pt基和 Ir基材料分别作为其ORR和OER催化剂。因此，开发廉价的非贵金属催化剂成为可充放金属燃料电池广泛商业化的首要任务。实现可充放金属燃料电池中ORR和OER催化剂的一体化，可以大大简化可充放金属燃料电池的制备过程，其前景十分诱人。在过去的十余年里，世界各地的一些科学家致力于开发低成本、高效和长稳定性的ORR和OER双功能催化剂。遗憾的是，迄今还没有获得合适的可实际应用的双功能催化剂。贵金属Pt基材料仍被认为是目前综合性能最好的双功能催化剂。

钙钛矿型复合氧化物分子表达式为AMO₃(A代表稀土原子，M表示过渡金属原子)，然而一般情况下该类复合氧化物都存在空位形式的氧晶格缺陷，其精确的表达式应该为AMO_3-x (﹣0.5﹤x﹤0.2)。所形成的氧晶格缺陷常常会改变晶格氧的种类与数量，有助于加速氧迁移，因而具有较高的ORR和OER催化活性。目前，对于钙钛矿型复合氧化物，主要的研究还是集中在对其ORR催化性能的开发上，对其OER催化性能的开发鲜有报道。作为可充放金属燃料电池ORR和OER催化剂，钙钛矿型复合氧化物目前最主要的两个缺陷是低的质量活性和电导率。降低其物理尺寸和与大比表面积高导电性的物质复合是解决这两个缺陷及提高其综合性能的有效途径。

近年来，rGO以其优良的导电性、稳定性和导热性以及极高的理论比表面积，成为新材料领域中的一颗耀眼新星，对其进行N掺杂改性可以进一步提高其电子性能。

发明内容

本发明针对现有技术中单一LaCoO₃作为ORR和OER催化剂活性低、导电率低和稳定性较差的缺陷，目的之一是在于提供一种ORR和OER综合催化性能远高于LaCoO₃/rGO、LaCoO₃以及接近20wt％Pt/C商用催化剂的新型LaCoO₃/N-rGO复合物。

本发明的第二个目的是在于提供一种ORR和OER综合催化性能远高于LaCoO₃/rGO、LaCoO₃以及接近20wt％Pt/C商用催化剂的新型LaCoO₃/N-rGO复合物的低成本、易操作的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种作为可充放金属燃料电池ORR和OER双功能催化剂的新型LaCoO₃/N-rGO复合物的应用，在碱性介质中，综合催化性能远高于LaCoO₃/rGO、LaCoO₃以及接近20wt％Pt/C商用催化剂。