[发明专利]钴氮硫共掺杂碳气凝胶双功能氧催化剂及其制备方法和应用

摘要

一种钴氮硫共掺杂碳气凝胶双功能氧催化剂及其制备方法和应用。本发明先使钴离子均匀地与海藻酸钠结合，再与多巴胺和硫醇经水热处理，离心得到多巴胺/硫醇/钴‑海藻酸钠水凝胶，冷冻干燥后所得的多巴胺/硫醇/钴‑海藻酸钠气凝胶经高温煅烧制得钴氮硫共掺杂碳气凝胶氧催化剂。所述催化剂为气凝胶孔状材料，其的平均孔径为2～4nm，比表面积在126.8～138.3m²/g；其中钴以Co单质、CoO和Co₃O₄的形式存在；掺杂在孔状碳材料中的氮原子主要以吡咯型和石墨型存在。由于钴、氮和硫的共掺杂，所述催化剂在碱性条件下同时具有高的析氧和氧还原催化活性，且所用原料成本低、制备方法简单，易于操作，便于大规模生产。

主权项

1.一种钴氮硫共掺杂碳气凝胶双功能氧催化剂，其特征在于所述催化剂是以海洋多糖海藻酸钠为碳源，在水热条件下，先将二价钴盐、多巴胺和硫醇与海藻酸钠充分复合，制备多巴胺/硫醇/钴‑海藻酸钠水凝胶，冰箱中冷却后冷冻干燥得多巴胺/硫醇/钴‑海藻酸钠气凝胶，然后将其高温煅烧后得到钴氮硫共掺杂碳气凝胶双功能氧催化剂，所述海藻酸钠记为SA，钴氮硫共掺杂碳气凝胶记为Co/NSPC；所述钴氮硫共掺杂碳气凝胶双功能氧催化剂的制备方法，其特征在于包括以下具体步骤：(a)多巴胺/硫醇/Co‑SA气凝胶的制备将一定量SA分散于200mL去离子水中，80℃加热搅拌8h使其完全溶解，配制浓度为40～70mg/mL的SA溶液；将2.5g六水合氯化钴配制成浓度为0.02mol/L的水溶液，搅拌过程中缓慢滴加到SA溶液中，继续搅拌4h后于4000rpm离心10min，收集沉淀重新分散于200mL去离子水中，加入0.6g多巴胺和40mL硫醇后搅拌溶解，转入水热反应釜中，100℃水热反应2h，反应液离心分离洗涤后静置得到多巴胺/硫醇/Co‑SA水凝胶，将其放入冰箱零下20℃冷冻后再冷冻干燥36h，得多巴胺/硫醇/Co‑SA气凝胶；(b)Co/NSPC气凝胶双功能氧催化剂的制备将步骤(a)中所得的多巴胺/硫醇/Co‑SA气凝胶放在瓷舟中，在氮气氛围下以5℃/min的速率于管式炉中加热，先升高到200℃加热1h，再加热到700～900℃煅烧2～6h，得到所述的Co/NSPC柱状气凝胶双功能氧催化剂；所述催化剂中的碳来源于自然界含量丰富的海洋多糖SA，氮来源于多巴胺，硫来源于硫醇，钴活性种类以Co单质、CoO和Co₃O₄的形式存在，钴活性种类的粒径为30～130nm，掺杂在孔状碳材料中的氮原子主要以吡咯型氮和石墨化氮存在；掺杂的硫主要以噻吩硫的形式存在；该柱状多孔气凝胶催化剂的平均孔径为2～4nm，比表面积在126.8～138.3m²/g。