[发明专利]一种柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料、制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料、制备方法及其应用，属于电催化技术领域。所述材料以柔性多孔N掺杂碳纳米纤维为基体，基体表面上负载有N掺杂的碳纳米片阵列，碳纳米片阵列上生长有N掺杂的碳纳米管，N掺杂的碳纳米管中封装有Co纳米粒子；其Co元素含量为2wt％～3wt％，N元素含量为6at％～10at％，比表面积为350m²g^‑1～700m²g^‑1。所述材料作为ORR/OER双功能催化剂，可有效改善ORR/OER催化剂催化过程中的传质过程，提升ORR/OER催化活性。所述材料作为自支撑的锌空气电池阴极材料，在放电过程中展现出超高的最大功率密度、比容量以及倍率性能。

技术领域

本发明涉及一种柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料、制备方法及其应用，属于电催化技术领域。

背景技术

可充电的柔性锌空气电池具有高的理论能量密度(1086Wh/kg)和高安全性，有望成为下一代的储能设备，以满足在可穿戴电子设备和植入式医疗设备等领域的需求。锌空气电池体系中，空气电极处的氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)动力学十分缓慢，通常需要高效的催化剂来加快反应的进行，进而推动锌空气电池的发展和广泛应用。贵金属基电极催化剂如RuO₂和Pt/C，分别在OER和ORR方面表现出良好的催化活性，但其资源稀缺、成本高、稳定性差等缺陷大大限制了它们在锌空气电池中的大规模应用。因此，开发高活性和稳定的非贵金属柔性电极催化剂来同时提高ORR和OER至关重要。

近年来，过渡金属负载的碳基复合材料因其低廉的价格、可调的微观结构和优异的催化性能引起了研究者越来越多的关注。包封在碳材料中的过渡金属如Fe、Co、Ni等纳米粒子可以促进材料的ORR/OER催化性能。过渡金属纳米粒子可以在碳化期间增加碳材料的石墨化程度，同时表面的碳层也可以防止电催化过程中包封的过渡金属纳米颗粒被氧化、酸浸和聚集。此外，碳晶格中的氮掺杂可以进一步诱导相邻碳原子的不均匀电荷分布，而且掺杂的氮和包封的过渡金属纳米颗粒之间具有协同效应，使得复合材料在碱性介质中具有优异的ORR/OER电催化活性。然而目前过渡金属负载的碳基复合材料的比表面积和孔隙度还有待进一步提高，进而为催化反应提供更多的活性位点。静电纺丝材料被认为是过渡金属碳复合材料的理想基底材料，Qixing Zhou等人将Co/MnO杂化纳米粒子原位固定在N,S共掺杂碳纳米管/纳米纤维上，选用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)纤维作为静电纺丝基底，但是其比表面积仅有125.6m^-2g^-1，孔径分布主要为微孔，存在传质效果不好，孔道较少的缺点，此外，PVP纤维为硬质基底，无法实现柔性自支撑。目前制备具有柔性特质的过渡金属纳米碳复合材料双功能催化剂仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料、制备方法及其应用。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料，所述材料以N掺杂碳纳米纤维为基体，基体表面上负载有N掺杂的碳纳米片阵列，碳纳米片阵列上生长有N掺杂的碳纳米管，N掺杂的碳纳米管中封装有Co纳米粒子；所述材料中Co元素含量为2wt％～3wt％，N元素含量为6at％～10at％，比表面积为350m²g^-1～700m²g^-1，微孔、介孔和大孔均有分布且具有柔性。

本发明所述的一种柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料的制备方法，所述方法步骤包括：

(1)将ZnO和聚丙烯腈溶于溶剂中，搅拌混合均匀后得到纺丝溶液，对所述纺丝溶液进行静电纺丝，得到ZnO和PAN复合的纤维膜(ZnO/PAN纤维膜)；