[发明专利]一种电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于催化剂技术领域，具体公开了一种电催化剂及其制备方法和应用，电催化剂包括氮掺杂的碳材料和硫钴化合物，氮掺杂的碳材料包裹硫钴化合物；电催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1.将无机纳米球、2‑甲基咪唑、钴盐混合后，进行热解反应，制得包裹无机纳米球的钴氮碳复合材料；S2.采用碱溶液去除无机纳米球，制得三维多孔的钴氮碳复合材料；S3.将三维多孔的钴氮碳复合材料用硫脲进行热处理，制得电催化剂。本发明通过先碳化后硫化的制备方法，碳化确保了ORR活性位点Co‑Nx的生成，硫化在复合材料中产生硫钴化合物，从而产生OER电催化活性，通过硫钴化合物与Co‑Nx的协同作用实现双功能电催化活性。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，尤其涉及电池阴极催化剂技术领域，具体涉及一种电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

探索可用于新能源汽车的电能转换与储能技术，已成为现代社会追求可持续发展、减少二氧化碳排放的必然要求。金属空气电池以其较高的理论能量密度及安全性引起了研究者们广泛的关注，被认为是潜在的下一代清洁能源装置。其中锌空气电池由于能量密度大，电化学稳定性好，低内阻，操作安全，资源丰富和环境友好等优点尤其受到重视。然而，电极上氧还原反应(oxygen reduction rection,ORR)和氧析出反应(oxygenevolution rection,OER)动力学缓慢，已成为制约可冲式锌空气电池发展的重要因素。

贵金属电催化剂(如Pt/C、Ir/C和RuO₂)对ORR或OER具有良好的催化活性。然而，贵金属电催化剂具有单一性电催化活性、成本高、天然稀缺和稳定性差等缺点，影响了锌-空气电池的大规模发展应用。金属-氮-碳复合催化剂虽具有较好的ORR催化活性，但其OER电催化性能较差。

因此，有必要开发一种可替代贵金属、经济高效的双功能ORR和OER电催化活性的电催化剂。

发明内容

本发明提出一种电催化剂及其制备方法和应用，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为克服上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种电催化剂：

具体地，一种电催化剂，所述电催化剂包括氮掺杂的碳材料和硫钴化合物，所述氮掺杂的碳材料包裹所述硫钴化合物。

本发明的电催化剂是由氮掺杂的碳材料包裹的硫钴化合物组成的复合材料，且电催化剂中含有Co-N_x配位结构，其中：X为2或4，硫钴化合物与Co-N_x配位结构间协同作用，共同实现优异的ORR和OER双功能电催化活性。其中：钴与氮成键(Co-N_x)的活性结构，有利于氧气还原中氧中间体的吸脱附，从而具有优异的ORR催化活性；硫钴化合物具有合适的氧析出中间体吸附，而氧化过程中会形成钴的羟基氧化物，为OER的真正活性位点，且硫会进一步氧化为硫酸根，并吸附在钴羟基氧化物表面，从而进一步提升OER性能。

作为上述方案的进一步改进，所述硫钴化合物包括CoS和/或Co₉S₈，CoS和Co₉S₈两者均具有电催化活性，其中：Co₉S₈是硫化反应不完全的产物，由于其缺少一个硫原子，具有更高的催化活性。

作为上述方案的进一步改进，制备所述电催化剂的原料包括无机纳米球、2-甲基咪唑、钴盐和硫脲。