[发明专利]一种双层碳-氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料、制备方法及应用

摘要

本发明公开了一种双层碳‑氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料及其制备方法，包括步骤：（1）在酸化碳纳米管（CNT）和钴盐存在下同时进行吡咯和苯胺的聚合，形成的黑色固体颗粒为催化剂前驱体，随后将它在850OC热解，得到催化剂中间体‑1；(2）在催化剂中间体‑1表面形成聚多巴胺后再在800OC热解，得到催化剂中间体‑2；（3）将葡萄糖、双氰胺与催化剂中间体‑2在水中混合，随后再蒸干溶液，形成的固体在800OC热解后得到催化剂中间体‑3；（4）将催化剂中间体‑3经H2SO4处理后除去杂质和没有反应的物质，干燥后得到的黑色颗粒为催化剂样品。本发明的一种双层碳‑氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料具有氮含量高、金属钴被多层碳‑氮复合物包裹、电活性强、导电性强等优点。

主权项

1.一种双层碳‑氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：

（1）将碳纳米管（CNT）颗粒进行酸化处理，得到酸化CNT颗粒；

（2）将酸化CNT颗粒加入水中，强烈搅拌形成分散液；接着往该分散液中同时加入吡咯和苯胺，搅拌，形成均匀混合液；

（3）将过硫酸铵（(NH₄)₂S₂O₈）溶于水中，再加入一定质量的钴盐，搅拌溶解后，将形成的溶液迅速倒入上述均匀混合液中，将混合物搅拌均匀，随后将该混合物置于10^OC的水浴中，在缓慢搅拌下充分反应；最后将该混合物转入旋转蒸发器中，在60^OC下真空蒸干溶液，形成的黑色固体颗粒再转入真空干燥器内，于40^OC下干燥，得到催化剂前驱体；

所述钴盐为硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O）或醋酸钴（Co(CH₃COO)₂·4H₂O）或氯化钴（CoCl₂·6H₂O）；

（4）将上述催化剂前驱体在氮气气氛下，以4^OC·min^‑1的升温速度加热至850^OC，并在此温度下保持一段时间，随后自然冷却至室温，得到的黑色固体颗粒记为催化剂中间体‑1；

(5）将三（羟甲基）胺基甲烷、异丙醇和纯水按1:1:1的体积比组成混合溶剂，随后将上述催化剂中间体‑1加入到混合溶剂中，将所得混合物超声处理；随后加入多巴胺，室温下缓慢充分搅拌，反应完成后，离心分离，所得固体洗净，50^oC下真空干燥；最后将干燥后的固体在氮气气氛下，以4^OC·min^‑1的升温速度加热至800^OC，并在此温度下保持一段时间，随后自然冷却至室温，得到的固体颗粒记为催化剂中间体‑2；

（6）将葡萄糖和双氰胺溶于水中，接着加入催化剂中间体‑2，搅拌，使固体充分分散，接着将混合物溶液在60^OC下真空蒸干溶液，形成的固体于40^OC下干燥，将得到的黑色颗粒在氮气气氛下，以4^OC·min^‑1的升温速度加热至800^OC，并在此温度下保持一段时间，随后自然冷却至室温，得到的固体颗粒记为催化剂中间体‑3；

（7）将催化剂中间体‑3与1 mol L^‑1 H₂SO₄混合，在40^OC水浴中缓慢充分搅拌，以除去催化剂表面杂质和没有反应的物质；随后用水洗至中性，50^oC下真空干燥，得到的黑色颗粒为双层碳‑氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料。

2.根据权利要求1所述的双层碳‑氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料的制备方法，其特征是，步骤(2)中各组份的质量体积比为，水 ：酸化CNT颗粒 ： 吡咯 ：苯胺 = 800mL : 100 mg ~ 1000 mg : 0.6 mL : 0.6 mL 。

3.根据权利要求1所述的双层碳‑氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料的制备方法，其特征是，步骤（3）中，过硫酸铵（(NH₄)₂S₂O₈）：水：钴盐 = 3.8 g：40 mL：410 mg ~ 500 mg。

4.根据权利要求1所述的双层碳‑氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料的制备方法，其特征是，步骤（5）中，催化剂中间体‑1 ：混合溶剂 ：多巴胺 = 800 mg ：20mL ：50 ~ 300 mg。

5.根据权利要求1所述的双层碳‑氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料的制备方法，其特征是，步骤（6）中，葡萄糖 ：双氰胺溶于 ：水 ：催化剂中间体‑2 = 80 mg ：1 g ：10mL ：400 mg。

6.一种根据权利要求所述的方法制备的双层碳‑氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料。

7.权利要求1所述方法制备的一种双层碳‑氮复合物包裹的钴掺杂纳米材料在对氧还原反应（ORR）电活测定与电化学比电容测定的应用。