[发明专利]一种负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料的制备方法，将生物质材料进行氮掺杂处理得到掺氮碳材料，为Co/CoO异质结提供了大比表面积的载体，有助于增大与电解液的接触，降低电化学反应过程中的极化现象；然后以恒流电沉积法在氮掺杂碳材料管道上负载金属化合物，该方法可有效的控制金属的负载量，同时使金属化合物形成均匀的片层结构，有效增大反应的有效面积。本发明还公开了负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料，该复合材料具有Co/CoO异质结构，表现出良好的催化活性作用。以氮元素掺杂碳材料形成C‑N键，增加了催化反应的活性位点。本发明还公开了该复合材料在锌‑空气电池中的应用，其作为阴极材料表现出良好的活性和超高的稳定性。

技术领域

本发明属于生物质基电催化储能技术领域，涉及一种负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，环境危机和能源短缺引起了科学家们的共同关注，大量研究致力于开发可再生能源的高效转换装置。可充电锌-空气电池因具有较高的理论能量密度1086Wh kg^-1、环境友好、电解质稳定安全等优点引起了广泛关注。锌-空气电池主要由金属锌阳极、空气阴极、电解液和隔膜等构成。其中空气阴极包含疏水性气体扩散层(GDL)和亲水性催化层，电极反应包括放电时的氧还原反应(ORR)和充电时的析氧反应(OER)。ORR和OER缓慢的动力学导致锌-空气电池的性能不好。电池中的ORR反应主要发生在气液固三相界面上，构建丰富的三相界面有利于催化活性位点参与反应，提升阴极反应的反应速率，进而提升锌-空气电池的各项指标。构建高效空气电极是提升锌-空气电池性能的重要途径。界面工程和催化剂的本征催化活性在电极构建中起着同样重要的作用。

过渡金属基ORR/OER双功能催化剂主要包括其氮化物，硫化物，磷化物等。通过缺陷创造、形貌调控和电子结构优化可进一步提高了过渡金属固有电催化活性和动力学快慢。将催化金属纳米粒子与高导电性的多孔碳材料(例如碳纳米管，碳纤维和石墨烯纳米片等)复合是提升催化剂催化活性和稳定性的有效途径。杂原子掺杂可以调节碳基质的电子构型，增加载体与过渡金属纳米颗粒的相互作用，有效阻止金属纳米颗粒聚集。发生在锌-空气电池空气电极上的ORR反应主要发生在气液固三相界面区域。只有位于界面区域的催化剂才能充分发挥催化作用。在电极上最大限度地构建三相界面以使更多的催化活性位点参加反应，是提升锌-空气电池性能的有效策略。

泡桐是在我国分布十分广泛，具有巨大的潜在应用价值。目前，我国普遍用泡桐木作家具等，属于初级加工应用。泡桐木的有序分层结构为功能材料的设计提供了理想的模板，垂直管道结构是极好的传质通道。这种分层结构非常有利于3D整体催化材料的构建，并应用于三相界面的催化反应。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料的制备方法，具有条件温和、步骤简单的特点。

本发明的目的之二在于提供负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料，该复合材料具有形貌均匀、比表面积大、催化活性好等特点。

本发明的目的之三在于提供负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料在锌-空气电池中的应用。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种负载Co/CoO的氮掺杂碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将木材原料浸泡在含有NH₄⁺的水溶液中，浸泡结束后干燥、惰性气氛下煅烧得到氮掺杂碳材料，记为NWC；

(2)将步骤(1)制备得到的NWC浸没于含有Co²⁺和Na⁺的混合溶液中，经电沉积过程制备得到负载Co(OH)₂的氮掺杂碳材料，记为Co(OH)₂@NWC；