[发明专利]一种C3

说明书

本发明公开了一种C₃N₄包覆的碳纳米管负载NiFe双功能氧气电催化剂及其制备方法，属于电化学催化剂材料技术领域。本发明以碳纳米管作为碳骨架，NiFe以纳米金属颗粒的形式内嵌在碳骨架中，同时碳纳米管周围包覆有C₃N₄，制备方法先以水热方法合成碳纳米管(CNT)负载双金属NiFe‑MOF，然后进一步与氮源混合研磨，最后通过高温热解得到目标催化剂。本发明复合催化剂在碱性介质中表现出了良好的OER和ORR双重电催化活性，制备方法简单，在实际能量转化器件中具有良好应用潜力。

技术领域

本发明涉及电化学催化剂材料技术领域，具体涉及一种C₃N₄包覆的碳纳米管负载NiFe双功能氧气电催化剂及其制备方法。

背景技术

锌空气电池(ZAB)因其理论特殊能量高、安全性好、环境友好等优点而被认为是最有发展前景的能量转换与存储技术之一。尽管进行了大量的努力，但ZABs的大规模商业化仍受到析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)反应动力学缓慢的限制。通常贵金属Ru/Ir 和Pt基催化剂分别被认为是OER和ORR的高效电催化剂。然而，资源有限、成本高、抗毒能力低、耐久性差等缺点，严重阻碍了其大规模应用。

近年来，许多氮掺杂碳基材料由于具有高度可调的孔结构、良好的稳定性以及足够高的有利于氧分子吸附和还原的正电荷密度，被证明是一种被普遍接受的潜在的有效的催化ORR的电催化剂。目前存在的问题有氮含量相对较低，氮活性位点的浸出导致的催化活性低和不稳定。高氮含量的氮化石墨碳(g-C3N4)由于提供了比其它氮碳材料更多的活性位点，可以作为一种可行的ORR电催化剂。乔世璋等将g-C₃N₄加入介孔碳中提高了介孔碳材料ORR反应过程中的四电子选择性(～100％的四电子选择性)，明显高于Pt/C 催化剂。同样，三维导电多孔g-C3N4/rGO混合超分子结构由于丰富的电极-电解质-气体三相边界有利于O₂分子、电解质和电子在多孔框架中的扩散，有利于改善rGO的ORR 催化性能。这种通过引入g-C3N4进行的氮掺杂，尽管一定程度上改善了碳材料的ORR 活性，但其OER活性却较低，因此这些富含氮的碳基杂化还远远不能满足高效双催化剂的需求。

有研究发现，向碳基材料中掺杂或适当引入少量的金属物种可以改善碳骨架结构中局部电子结构，降低表面吸附物种*OOH和*OH的结合能，从而有效促进4e-的ORR反应过程。虽然非贵金属掺杂的碳材料通常会同时表现出一定的OER和ORR活性，然而由于在催化剂制备过程通常会经历800-1100℃的高温热解过程，最后所得的催化剂材料中金属物种往往因为团聚而形成较大尺寸的颗粒，致使其表面活性位点有限，且金属物种与碳骨架之间的电子传输受限。

因此，迫切需要开发具有OER和ORR双重电催化功能的高效、价格低廉且性能稳定的催化剂。

发明内容

为了解决背景技术所存在的问题，本发明提供一种C₃N₄包覆的碳纳米管负载NiFe双功能氧气电催化剂，该催化剂材料以碳纳米管作为碳骨架，NiFe以纳米金属颗粒的形式内嵌在碳骨架中，同时碳纳米管周围包覆有C₃N₄。本发明将该复合材料记为 NiFe/C₃N₄@CNT或NiFe@C₃N₄-CNT。

具体的，该催化剂材料比表面积为250-450cm² g^-1，孔径主要分布于2-10nm，集中分布于4nm。

本发明进一步公开了上述双功能氧气电催化剂的制备方法，包括如下步骤：