[发明专利]一种多孔碳载钴基双功能氧催化剂的制备方法

说明书

本发明属于电化学能源领域，涉及一种多孔碳载钴基双功能氧催化剂的制备方法。将六水合氯化钴、葡萄糖和氨水通过简单的水解反应制备出氢氧化钴前驱体，随后加入多巴胺包覆，作为氮掺杂碳载体，最后在氩气中高温热处理得到钴颗粒和钴单原子共存的多孔碳电催化剂。该催化剂的多孔碳具有多级孔结构，微孔有助于承载更多的活性位点，介孔可有效地促进电催化反应过程的质量传输，提高活性位点的利用率。同时具有独立的双催化活性位点，钴颗粒位点和纯吡咯氮型钴单原子位点分别促进了电化学析氧反应和氧还原反应，可作为可充电锌空电池中高效的空气电极催化剂。

技术领域

本发明属于电化学能源领域，涉及一种多孔碳载钴基双功能氧催化剂的制备方法。特指一种多孔碳负载纯吡咯型钴单原子和钴颗粒双活性位点催化剂的制备方法及其作为双功能氧电催化剂在可充电锌空电池中的应用。

背景技术

可充电锌空气电池(ZABs)因其比能量密度高、安全性高、成本低和环境友好型等优点被认为是最有前途的储能装置之一。其中，空气电极的氧催化剂主导了ZABs整体效率，在充电时催化析氧反应(OER)，在放电时催化氧还原(ORR)，但由于OER和ORR都是四电子转移过程，它们极其缓慢的电荷转移动力学严重影响了电池的输出性能。因此，需要制备高效的氧催化剂加速这两种电化学过程，以提高催化效率并使ZABs产生足够的电流密度。目前，铂基催化剂仍然是最理想的商用ORR催化剂，而RuO₂和IrO₂是广泛应用的OER催化剂，但其双功能氧活性差、价格高、资源稀缺和稳定性差等问题阻碍了其在可充电 ZABs中的大规模应用。因此，开发高性价比、高性能、稳定的双功能氧电催化剂对促进可充电ZABs的实际应用具有重要意义。

迄今为止，过渡金属基材料，特别是氮掺杂碳负载的钴基催化剂，由于其成本低、电导率高、耐久性好和配位结构可调等优点，已成为贵金属基催化剂最有前途的替代品之一。具有多级孔结构的碳材料通常可以暴露更多的活性位点，促进质量输运。掺杂过渡金属可提供高效的活性位点，氮、磷和硫等非金属元素掺杂可进一步调节金属活性位点的电子结构和配位环境，基于此，过渡金属复合多孔氮掺杂碳材料已被证明具有较好的电化学OER和ORR性能。但是，氮掺杂碳材料通常存在复杂的配位方式，比如石墨氮、吡啶氮和吡咯氮，制约了所制备的催化剂的活性和稳定性的进一步提升。

发明内容

为解决上述的氮掺杂碳载过渡金属催化剂因配位方式复杂引起的活性和稳定性不足的问题，本发明提供了一种在多孔碳材料上同时均匀锚定高纯吡咯氮配位的钴单原子以及金属钴颗粒双活性位点的双功能氧催化剂的制备方法，具体的技术方案如下：

一种多孔碳载钴基双功能氧催化剂的制备方法，特指具有高纯吡啶氮配位的钴单原子和金属钴颗粒双活性位点的多孔碳材料，制备过程包括以下步骤：

(1)在室温条件下，称取六水合氯化钴和葡萄糖通过磁力搅拌溶解于去离子水中，形成均匀的溶液，再快速加入浓氨水、碳酸钠溶液或氢氧化钠溶液，室温下持续磁力搅拌反应，反应结束后，将产物离心、洗涤，真空干燥后得到深绿色的粉末。

所述浓氨水、碳酸钠溶液和氢氧化钠溶液中的一种、六水合氯化钴、葡萄糖、去离子水的比例为1～2mL：2～5mmol：100～200mg：30mL。

所述的浓氨水浓度为25～28wt.％，碳酸钠水溶液浓度为50～100mg/mL，氢氧化钠水溶液浓度为100～150mg/mL。

室温下持续磁力搅拌反应的时间为5～20min。

洗涤指用水和乙醇各洗涤3～5次。

真空干燥温度为60℃。

(2)称取步骤(1)制备的氢氧化钴前驱体，并超声分散至去离子水中，随后，称取盐酸多巴胺加入其中，室温磁力搅拌反应，反应结束后，将产物离心、洗涤，真空干燥后得到碳包覆钴基复合材料。

所述氢氧化钴前驱体、去离子水、盐酸多巴胺的比例为0.1～0.3g：40mL： 0.1～0.5g。