[发明专利]一种具有全pH氧还原性能的钴单原子电催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种具有全pH氧还原性能的钴单原子电催化剂及其制备方法，属于新能源材料技术领域。通过二甲基咪唑、氧化石墨烯、锌盐、钴盐、甲醇合成前驱体，经过热解制备得到具有全pH氧还原性能的钴单原子电催化剂。制备的钴单原子电催化剂具有高的比表面积和分级多孔结构，有利于锚定很多活性位点以及加速传质；在碱性、酸性、中性介质中均具有优异的氧还原性能和出色的循环稳定性，能满足实际应用需要。本发明的合成方法简单有效，成本低，可用于大规模合成钴单原子电催化剂，解决了现有技术合成复杂，难以规模化制备的不足。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及到一种具有全pH氧还原性能的钴单原子电催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

锌-空气电池(ZABs)由于其丰富的锌资源、大的能量密度、优异的耐久性和无碳排放，被公认为是一种有前途的绿色可持续能源转换技术。在放电过程中，缓慢的氧还原反应(ORR)动力学严重限制了其广泛的适用性。尽管P t基贵金属(PGM)材料被认为是具有优异的催化活性和商业可及性的基准O RR催化剂，但其在ZABs中的大规模实施却因其昂贵的成本和稀缺性而遭受了巨大的损失。

在非PGM催化剂中，金属-氮配位碳(M-N-C,M＝Fe,Co,Zn,Cu,Mn等)材料因其具有竞争活性、高导电性和优异的化学稳定性而受到越来越多的关注。特别地，Co-N-C催化剂表现出比Fe-N-C材料更低的芬顿反应活性，同时保留相当的ORR性能，使其成为PGM基催化剂的有吸引力的替代品。具体来说，将活性物种缩小到原子水平并构建单原子催化剂(SACs)被认为是合理设计和优化Co-N-C催化剂的有效策略，因为它具有最大的原子利用效率和足够的活性位点暴露。一般而言，Co-N-C SACs可以通过富氮前驱体与Co盐直接热解制备。然而，Co物种在热处理过程中容易聚集，导致Co基团簇或纳米颗粒的形成，这阻碍了在原子尺度上确定高催化活性的起源。特别是，混合复杂的前驱体在高温碳化过程中容易产生无序的微孔为主的多孔结构，这些多孔结构存在传质延迟和内部空间可及性不足等问题，导致催化活性较差。尽管在Co-N-C SACs的制备方面做出了相当大的努力，但目前的研究大多基于碱性电解液。Co-N-C SACs在酸性和中性介质中不理想的活性和较差的耐久性仍然需要尽快解决。基于此，开发一种简单高效的合成策略，制备具有新颖孔道结构和完全pH适应性的Co-N-C SACs具有重要意义。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种具有全pH氧还原性能的钴单原子电催化剂，包括，所述钴单原子电催化剂由二甲基咪唑、氧化石墨烯、锌盐、钴盐、甲醇合成前驱体后经过热解制得；其中，所述锌盐为硝酸锌、硫酸锌、氯化锌中的一种，所述钴盐为硝酸钴、硫酸钴、氯化钴中的一种。

本发明的另一目的是，克服现有技术中的不足，提供一种具有全pH氧还原性能的钴单原子电催化剂的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：包括，

以锌盐、钴盐为溶质，甲醇为溶剂，超声搅拌形成均匀的混合溶液I；

以二甲基咪唑为溶质，甲醇为溶剂，超声搅拌形成均匀的混合溶液II；

混合溶液I与混合溶液II充分混合，搅拌形成Zn/Co-MOF前体；

向Zn/Co-MOF前体中加入氧化石墨烯水溶液，持续搅拌形成Zn/Co-MOF@GO前驱体；

依次采用甲醇、乙醇、去离子水对得到的Zn/Co-MOF@GO前驱体进行充分离心洗涤，冷冻干燥即得到Zn/Co-MOF@GO；