[发明专利]一种Co-N-C复合催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种Co‑N‑C复合催化剂，由Co和N共掺杂的碳纳米颗粒和CNTs组成，所述Co和N共掺杂的碳纳米颗粒生长在CNTs表面，构成三维网状结构，本发明以壳聚糖为碳源，壳聚糖、尿素为氮源，添加CNTs，通过原位转化法合成Co‑N‑C/CNTs复合催化剂，Co‑N‑C和CNTs之间的协同作用，显著增强了Co‑N‑C的ORR动力学，将其应用于铝‑空气电池阴极材料，极限电流密度高达5.3mA cm^‑2，与商用的Pt/C电极(5.2mA cm^‑2)相当；Co‑N‑C纳米颗粒生长在CNTs表面，构成三维网状结构，使得复合催化剂具有更好的导电性和大比表面积，从而具有更多的电化学反应活性位点，促进吸附分子氧并进一步催化使其还原，使得ORR催化活性得到显著提高；本发明工艺方法简单，成本低廉，对设备要求不高，能够适用于大规模生产。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种Co-N-C复合催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着化石能源的不断消耗、能源需求的不断增加以及环保意识的增强，世界各国均将目光转向了新能源，开发一种低成本、高性能的能量转换与储存装置成为了关键。可充式的金属-空气电池由于其制备简单，成本低廉、安全性能优异以及环境友好引起了人们的广泛关注，在金属-空气电池领域中，最大的瓶颈是阴极材料-氧还原(ORR)催化剂，目前金属-空气电池的阴极材料大多是使用铂碳、钌、铱等贵重金属，其价格十分昂贵，同时地球储量稀缺，无法大量生产普遍使用。因此，开发一种成本低、高催化活性的ORR催化剂就显得尤为迫切。

到目前为止，可开发的非贵金属催化剂种类和方法众多，其中，Co-N-C类催化剂具有高的电催化活性和优良的抗毒性能，是一种非常有潜力的低成本的ORR催化剂，Co和N共掺杂的碳材料催化剂已经证明具有优良的ORR催化活性，但是随着反应的进行，催化剂活性降低很快，难以维持催化电流的稳定性，其中一个重要的原因在于Co的损失导致石墨化C结构不稳定，催化活性降低。因此，设计一种能够保护Co基纳米颗粒结构的Co-N-C复合催化剂，不但可以大幅度降低成本，而且对推进金属-空气电池的大规模应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电催化活性高、抗毒性强、工艺流程短和成本低廉的Co-N-C复合催化剂及其制备方法和应用。

本发明提供一种Co-N-C复合催化剂，由Co和N共掺杂的碳纳米颗粒(Co-N-C)和碳纳米管(CNTs)组成，所述Co和N共掺杂的碳纳米颗粒生长在碳纳米管表面，构成三维网状结构。

所述Co-N-C复合催化剂由以下组分按质量百分比组成：

Co和N共掺杂的碳纳米颗粒90％～92％；

碳纳米管8％～10％。

优选的，所述Co和N共掺杂的碳纳米颗粒的粒径为5～100nm，碳纳米管的直径为10～30nm，长度为10～100nm。

本发明还提供了上述Co-N-C复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将壳聚糖与水混合，加入冰醋酸调节溶液PH，使壳聚糖完全溶解；

(2)加入钴盐和尿素，使其完全溶解，将混合溶液移入带磁力搅拌装置的水热釜，经水热反应得到前驱体溶液；

(3)向前驱体溶液中加入碳纳米管，再进行水热反应，将得到的产物冷冻干燥后放入惰性气氛中煅热，研磨后得到Co-N-C复合催化剂。

优选的，所述步骤(1)中调节溶液PH至0～6。

优选的，所述步骤(2)中钴盐为醋酸钴，硝酸钴中的一种或两种。

优选的，所述步骤(2)中水热温度为150～200℃，反应时间为8～12h。