[发明专利]一种Co-N/CNTs催化材料的制备方法及其所得催化材料和应用

说明书

本发明公开了一种Co‑N/CNTs催化材料的制备方法及其所得催化材料和应用，该方法包括：1）将羧基化的多壁碳纳米管溶于甲醇溶液中超声；2）将氯化钴加入碳纳米管的悬浮液中搅拌；3）将有机配体2‑甲基咪唑溶于甲醇溶液中，然后逐滴加入上述混合溶液中，然后装入高温反应釜中反应；4）得到的产物用甲醇和乙醇过滤洗涤数次，然后烘干并研磨，制得粉末；5）将上述制得的粉末在惰性气氛下，高温碳化制备出Co‑N/CNTs材料。本发明提供一种价格低廉且方便简便，活性位点多，能广泛应用的氧还原反应催化剂，该催化剂在中性条件下具备优异的催化氧还原性能，并且能够大大提高微生物燃料电池的输出功率，用于提升微生物燃料电池的氧还原性能及产电性能。

技术领域

本发明属于空气阴极催化剂及其制备方法，具体涉及一种Co-N/CNTs催化材料的制备方法及其在微生物燃料电池阴极的应用。

背景技术

能源是人类生存和社会发展的重要物质基础。面对能源枯竭、水资源紧缺、水污染严重等一系列严峻问题，寻求开发可替代新能源同时减小对环境的污染的新技术就显得尤其重要。微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）作为一种新技术就应运而生了，它可以在处理废水同时产生一种清洁能源——电能。其中，空气阴极MFC 因其最具规模化应用的重大前景，已成为目前MFC 研究的热点。空气阴极的电催化氧还原反应（OxygenReduction Reaction，ORR）是MFC重要的理论和技术基础。由于ORR涉及多电子传输，反应动力学慢，O-O键断裂的反应活化能势垒高（498kJ/mol），是MFC产电的速控步骤，但是当前ORR催化剂性能不足，严重制约着MFC性能的提高。因此，设计开发高效的空气阴极ORR催化剂具有重要的科学意义及应用前景，也是当前MFC领域研究的重点和难点。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种制备简单并可用于氧还原反应的Co-N/CNTs材料的制备方法；本发明的第二目的在于提供一种中性条件下具备优异氧还原性能的Co-N/CNTs催化材料；本发明的第三目的在于提供上述Co-N/CNTs催化材料在微生物燃料电池阴极中的应用。

技术方案：本发明的一种Co-N/CNTs催化材料的制备方法，包括以下步骤：

(1) 将羧基化的碳纳米管溶于有机溶剂中，并加入表面活性剂进行超声处理，得到碳纳米管分散液；

(2) 将氯化钴在搅拌的条件下加入步骤(1)的碳纳米管分散液中，混合均匀；

(3) 将2-甲基咪唑溶于的甲醇溶液后逐滴加入步骤(2)的混合溶液中，继续搅拌后装入高温反应釜反应，得到沉淀反应物；

(4) 将得到的产物经过洗涤、干燥和研磨得到前驱体粉末，然后在惰性气氛下进行高温碳化，得到Co-N/CNTs催化材料。

上述的制备方法中，其中，采用的羧基化的碳纳米管为多壁，由于其表面具有大量带负电的的羧基，作为Co-MOF晶体生长的成核位点；此外，氯化钴与2-甲基咪唑在甲醇溶液中配位形成正十二面体结构，在热解后Co颗粒成功地镶嵌在碳骨架中，且Co与氮掺杂成键，与CNTs构筑形成3D导电碳网络，有微孔和介孔结构和较大的比表面积，为ORR反应提供了丰富的活性位点与电荷传输通道。

进一步的，所述步骤(1)中，羧基化的多壁碳纳米管与表面活性剂的质量比为1：1~3；其中，表面活性剂包括聚乙烯吡咯烷酮和十六烷基三甲基溴化铵中的任一种。

进一步的，所述步骤(1)中，每25~50mL的有机溶剂中添加35~70 mg的羧基化的多壁碳纳米管；其中，所述有机溶剂包括甲醇、乙醇、去离子水或N,N-二甲基甲酰胺中的任一种；所述羧基化的多壁碳纳米管的长度为1~30 μm。

进一步的，所述步骤(2)中，每25~50 mL的碳纳米管分散液中添加222~444 mg的氯化钴。

进一步的，所述步骤(3)中，每25-50ml甲醇溶液中添加1~2 mmol的2-甲基咪唑；其中，2-甲基咪唑与表面活性剂的质量比为1：3~5。