[发明专利]镶嵌铁钴氧化物包覆铁钴合金异质颗粒的氮掺杂碳纳米管及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种镶嵌铁钴氧化物包覆铁钴合金异质颗粒的氮掺杂碳纳米管及其制备方法和应用。制备方法包括：将碳氮源、铁过渡金属盐与溶剂混合均匀，得到第一混合溶液；将钴过渡金属盐溶液逐滴加入第一混合溶液中，充分反应后得到第二混合溶液；将第二混合溶液与氧化石墨烯水溶液混合均匀，充分反应之后进行固液分离并保留固形物；在惰性气氛或者还原气氛下，将固形物在300℃～500℃温度条件下进行煅烧，充分反应后升温至700℃～1000℃继续煅烧，充分反应后降至室温，除去杂质，得到镶嵌铁钴合金颗粒的氮掺杂碳纳米管；在含氧气氛下，将镶嵌铁钴合金颗粒的氮掺杂碳纳米管升温至160℃～420℃进行煅烧，充分反应后降至室温，得到镶嵌铁钴氧化物包覆铁钴合金异质颗粒的氮掺杂碳纳米管。

技术领域

本发明涉及锌空气电池催化剂技术领域，特别是涉及一种镶嵌铁钴氧化物包覆铁钴合金异质颗粒的氮掺杂碳纳米管及其制备方法和应用。

背景技术

当前世界化石能源污染严重，石化资源日益枯竭，大力发展可持续能源是目前的当务之急，相应先进的储能及转换设备是必不可少的。这意味着需要研究高效环保的能源储存和转换技术。从上世纪末开始，人们逐渐重视起能源材料和相应的器件，尤其是电化学领域。目前，最具代表性的研究课题之一就是金属空气电池(MAB)，这一器件可以有效改善能源系统，而且极具发展潜力。

金属-空气电池种类丰富，以空气作为阴极材料，而金属阳极可以是镁、铝、锌或者铁等。其中，锌-空气电池(ZABs)具有较高的理论比能量(1370Wh·kg^-1)，是最具发展前景的金属空气电池，研究者在近20年来对其进行了大量研究，将其广泛应用于新能源领域。可充电锌空气电池可以在放电工作后充电，达到循环使用的目的。电池工作原理为：放电时外接用电器，空气阴极发生氧气还原反应(ORR)，总反应标准电位为1.65V。当电池充电时外接电源，空气阴极发生氧气析出反应(OER)。锌空气电池具有高能量密度，而且其原料锌的价格低廉，环保安全。但空气阴极的两个半反应ORR和OER动力学缓慢，导致锌空气电池的效率低下。所以，需要开发高效的ORR和OER催化剂，提升反应速率，从而发展锌空气电池技术。

目前，铂碳(Pt-C)，氧化铱(IrO₂)和氧化钌(RuO₂)等贵金属基材料可作为锌空气电池的高效催化剂。然而，它们的稳定性较差，况且贵金属的价格昂贵，资源匮乏，使得锌空气电池这类器件无法商业化。

目前，过渡金属基材料在报道中表现出良好的电催化活性和耐久性，如镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)等过渡金属的原材料均储量丰富，价格低廉。而多孔碳材料具有良好的导电性和传质效率，通过杂原子氮(N)、硫(S)、磷(P)和硒(Se)等的掺杂可以通过产生缺陷等机理增强碳的电导率和ORR催化活性。因此，过渡金属(Ni、Fe、Co等)与氮共掺杂的碳材料是最有开发潜力的氧电催化剂之一。然而，过渡金属纳米材料在电化学作用下易发生聚集，并且从碳材料中浸出，导致复合碳材料的反应活性大大减弱，从而降低复合碳材料的催化性能。

发明内容

基于此，有必要针对如何提升催化性能的问题，提供一种镶嵌铁钴氧化物包覆铁钴合金异质颗粒的氮掺杂碳纳米管及其制备方法和应用。

一种镶嵌铁钴氧化物包覆铁钴合金异质颗粒的氮掺杂碳纳米管的制备方法，包括如下步骤：

将碳氮源、铁过渡金属盐与溶剂混合均匀，得到第一混合溶液；

将钴过渡金属盐溶液逐滴加入所述第一混合溶液中，充分反应之后得到第二混合溶液；

将所述第二混合溶液与氧化石墨烯水溶液混合均匀，充分反应之后进行固液分离并保留固形物；

在惰性气氛或者还原气氛下，将所述固形物在300℃～500℃温度条件下进行煅烧，充分反应之后升温至700℃～1000℃继续煅烧，充分反应之后降至室温，除去杂质，得到镶嵌铁钴合金颗粒的氮掺杂碳纳米管；以及