[发明专利]一种纳米金属/碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纳米金属/碳复合材料及其制备方法和应用，该纳米复合材料以无定形碳球为骨架，金属单质均匀地嵌入在碳层中，形成粒度在100～500nm的球状颗粒。其中无定形碳球具有疏松多孔的结构，比表面积在300～1000m²/g之间，量子级金属单质粒径在3～10nm之间。无定形碳球中的多孔结构提供了大量的活性位点，有利于氧气吸附和析出动力学反应的进行，同时嵌在碳层中的金属单质可以提高碳材料氧析出的催化活性。该纳米复合材料作为催化剂使用时显示出了较好的催化活性，相对于现有制备催化剂的方法，本发明具有成本低、催化性能优异的特点，适合大规模的市场化应用。

技术领域

本发明涉及催化材料制备领域，特别是涉及一种纳米金属/碳复合材料及其制备方法和应用。

技术背景

随着社会对能源需求日益增长和人们环保意识的提高，开发出新的可再生能源代替化石能源成为目前各国发展的重点。以锌、铝、镁、铁为代表的金属空气电池可以直接将化学能转化为电能，具有较高的能量密度、资源丰富、价格低廉，已经被广泛研究，有望成为新一代储能装置。金属空气电池空气电池正极是氧气，负极为金属单质。在放电过程中正极发生催化氧还原(ORR)，在充电过程正极发生氧析出反应(OER)。空气电池能否大规模应用很大程度上取决于正极的催化性能，因此开发出新材料来提高空气电池正极催化性能有利于空气电池市场化。

到目前为止，铂基催化剂和钌/铱基催化剂分别显示出了催化ORR和OER的性能，但是由于铂、钌、铱金属资源紧缺导致价格昂贵，阻碍了空气电池的市场化发展。经过十几年的研究发现，碳负载纳米级金属基材料由于具有良好的催化性能并且价格低廉，有望取代铂基、钌和铱基成为市场化的催化剂。但是目前制备的碳负载金属催化剂存在金属负载不均匀，且颗粒较大，在催化过程中金属粒子会发生团聚并脱落，降低了材料的催化性能。因此有必要找到一种新方法来制备碳负载金属催化剂来提高材料的催化性能。

发明内容

针对目前制备碳负载金属催化剂存在金属颗粒大、催化性能有限的不足，本发明提出一种纳米金属/碳复合材料及其制备方法和应用。该纳米复合材料以无定形碳球为骨架，金属单质均匀地嵌入在碳层中，形成粒度在100～500nm的纳米复合材料粒。其中无定形碳球具有疏松多孔的结构，比表面积在300～1000m²/g之间，无定形碳的多孔结构为催化反应提供了大量的活性位点，有利于氧气吸附和析出动力学反应的进行。嵌在碳层中的金属单质粒径在3～10nm之间，这不仅提高了碳球的稳定性，也能防止金属粒子发生团聚和脱落，提高了材料的催化性能。于现有制备催化剂的方法相比，本发明具有成本低、催化性能优异的特点，适合大规模的市场化应用。

本发明一种纳米金属/碳复合材料所述纳米金属/碳复合材料，以无定形镂空碳球为骨架，金属单质均匀地嵌入在碳骨架中，形成粒度在100～500nm的纳米金属/碳复合颗粒；

所述纳米金属/碳复合材料以质量百分比计包括：

无定形碳40％～70％，

金属A 30％～60％，金属A粒径大小在3～10nm之间。

本发明一种纳米金属/碳复合材料所述纳米金属/碳复合材料；所述纳米金属/碳复合材料中，无定形镂空碳球的粒度在100～500nm之间且无定形镂空碳球的比表面积为300～1000m²/g。碳球中的空洞结构在10～50nm之间。碳球中的空隙结构为双性金属氧化物溶解后留下来的。

本发明一种纳米金属/碳复合材料所述纳米金属/碳复合材料；所述金属A选自钴、镍、铁、锡、锑、铋、钼、铜、铟、银、镓镉、铅、铊中至少一种。

本发明一种纳米金属/碳复合材料所述纳米金属/碳复合材料的制备方法，其具体制备过程包括下述步骤：

步骤一