[发明专利]氮掺杂碳负载低含量钌和Co2

说明书

一种氮掺杂碳负载低含量钌和Co₂P纳米粒子的三功能电催化剂及其制备方法和应用。本发明以Zn‑Co‑ZIF为模板，以植酸钠为磷源，在惰性气氛下煅烧制备负载Co₂P纳米粒子氮掺杂碳的纳米复合物，通过吸附作用将低含量贵金属钌引入复合物中，该复合物继承了ZIF的孔状结构。所得催化剂在碱性介质中具有良好的析氢、析氧和氧还原反应催化性能，这主要因为低含量贵金属的引入改变了Co₂P的电子结构，同时增加了活性位点，由Zn‑Co‑ZIF衍生的氮掺杂碳基质为活性位点起到关键支撑作用，有利于电子的传导和反应中间体的脱附，该催化剂在新能源转换和储存领域具有潜在的应用价值。

技术领域：

本发明属于新能源材料技术以及电化学催化领域，具体涉及氮掺杂碳负载低含量钌和Co₂P纳米粒子的三功能电催化剂；还涉及所述催化剂的制备方法及其在碱性燃料电池阴极氧还原反应、电解水阳极析氧反应和阴极析氢反应中的电催化应用。

背景技术：

燃料电池、金属空气电池等能源技术以其高效的能量转换、环境友好等优点引起了人们的广泛关注。氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)和析氢反应(HER) 是多种可持续能源技术的关键电极过程，但这三个过程都存在动力学缓慢的问题。目前用于ORR和HER反应的催化剂主要是Pt及其合金，用于OER反应的催化剂主要是IrO₂和RuO₂，但这些贵金属在自然界中含量稀少，开发新型高效廉价的电催化剂至关重要，其中碳基非贵金属催化剂作为最有可能替代上述贵金属的催化剂，引起了广泛的关注。

ZIF即沸石咪唑酯骨架结构材料是多孔晶体材料，具有高稳定性与高孔隙率的特点。ZIF主要用于高效催化和分离过程。ZIF-8或ZIF-67由六水合硝酸锌或六水硝酸钴与2-甲基咪唑反应而成，考虑到Zn的低沸点，它可作为牺牲模板通过高温煅烧法除去金属Zn制备单金属的多孔碳材料，并实现杂原子掺杂进一步调节电子性质和表面极性，提高复合材料的电化学催化活性。目前比较常见的有 N、S、B、P等杂原子掺杂，这些杂原子可通过取代石墨晶格中的某些sp²杂化的碳原子，改变碳材料的电子特性，进一步提高碳材料的催化活性和稳定性。低含量贵金属的引入通常会极大地改变催化剂性能。虽然目前以ZIF为前驱体制备碳纳米材料取得了一定的成绩，但还未见有以Zn-Co-ZIF为模板和前驱体，以植酸钠为P源，并引入低含量贵金属Ru，制备氮掺杂碳负载低含量钌和Co₂P纳米粒子纳米复合物并研究其ORR、OER和HER三功能电催化性能的报道。

本发明以Zn-Co-ZIF为模板，将其与植酸钴溶液反应后，收集所得紫色固体，高温煅烧后得到负载Co₂P纳米粒子氮掺杂碳的纳米复合物，再通过吸附作用将低含量贵金属钌引入复合物中，得到所述的Ru-Co₂P/NC电催化剂。所得三功能催化剂具有高的导电性和催化性能，有效降低了其ORR，OER和HER的过电位，通过旋转圆盘电极(RDE)以及旋转环盘电极(RRDE)表明其ORR过程为4 电子催化机理，是较为理想的ORR反应过程，并且该催化剂具有良好的长期稳定性以及优异的甲醇耐受性。催化析氢反应时，达到10mA/cm²产生的过电位仅为43mV。该方法对开发低含量贵金属掺杂碳基电化学催化剂及能源转换和储存器件具有重要的理论和实际意义。

发明内容：

针对现有技术的不足以及本领域研究和应用的需求，本发明的目的之一是提供一种氮掺杂碳负载低含量钌和Co₂P纳米粒子的三功能电催化剂；即以 Zn-Co-ZIF为模板，将其与植酸钴的溶液反应后，收集所得紫色固体，高温煅烧后得到负载Co₂P纳米粒子氮掺杂碳的纳米复合物，再通过吸附作用将低含量贵金属钌引入复合物中，得到所述的Ru-Co₂P/NC电催化剂；

本发明的目的之二是提供一种氮掺杂碳负载低含量钌和Co₂P纳米粒子的三功能电催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：