一种锌-空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种锌‑空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料，其中所述材料包含氮掺杂且含缺陷的多孔碳和钴(II)团簇，所述氮掺杂且含缺陷的多孔碳为载体，所述钴(II)团簇负载在所述氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道中，所述的氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料用作氧还原反应和氧析出反应的双功能催化剂。本发明专利技术还公开了上述材料的制备方法。依据本发明专利技术公开的氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料，其在锌‑空气电池中具有优异的氧还原和氧析出反应活性，很大程度上提高了锌‑空气电池的稳定性和优良的比容量。本发明专利技术步骤简单，可控，易于实现工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种锌-空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料及其制备方法
本专利技术涉及能源转化与存储材料及器件领域，具体地，涉及一种锌-空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料及其制备方法。
技术介绍
金属-空气电池是一类新型电池，其以活泼金属，如锂、锌、镁、铝等为负极，氧气作为正极的化学电池，其中氧气通过正极多孔材料从空气中获得。通过氧还原和氧析出反应来实现化学能和电化学能之间的转化。在所有不同种类的金属-空气电池中，由于锌的廉价易得和高能量密度可达1218Wh/kg，锌-空气电池受到广泛关注，是最具商业化前景的下一代电池技术之一。然而，作为锌-空气电池最重要的部件，空气电极部分的氧还原和氧析出反应由于其反应动力学较慢通常存在过电势过大以及多次循环后活性衰减等问题。虽然贵金属铂和铱具有很好的催化活性和稳定性，能一定程度上较好地解决上述问题，但是由于其成本高昂，寻找高活性和高稳定性的可替代的非贵金属催化剂成为该领域的一大挑战。现有技术中，关于氮掺杂且含缺陷的碳孔道负载的钴团簇材料未见有公开报道。虽然氮掺杂多孔碳材料已有一些报道，例如CN102247869A公开了一种球状氮掺杂碳载非贵金属氧还原催化剂及其制备方法；CN101884932A公开了一种氮掺杂碳纳米纤维氧还原催化剂及其制备方法和应用；CN104689857A公开了一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法以及含该材料的催化剂及用途；CN107359320A公开了一种氮掺杂多孔碳/MoS2钠离子电池负极及制备方法；CN103265008B公开了一种氮掺杂多孔碳及其制备方法。同时锌空电池应用也有一些报道，如CN103477480B公开了一种用于金属空气蓄电池/燃料电池的核壳结构双功能催化剂；CN200953374Y公开了一种锌空气电池，含空气电极具有与电池壳体内壁相接触的突出部分，空气电极与电池壳体之间的空隙形成空气流道，空气电极为多个单元组成的波浪形。然而这些报道与本专利技术的主要区别在于：1.材料不同，本专利技术中还存在其他报道中不存在的氮化钛材料；2.负载方法不同，本专利技术侧重于孔道负载，而非其他报道中的材料本身的负载。3.合成方法存在区别。4.与其他锌-空气电池所用材料存在明显区别。本专利技术所述材料为一种氮掺杂且含缺陷的碳孔道负载的钴团簇材料以及含该材料的锌-空气电池应用。其中，氮掺杂且含缺陷的多孔碳是指由于该多孔碳材料中分子或原子的不完美排列而导致产生缺陷，暴露出更多的活性分子或原子。含缺陷的多孔碳促使该特殊结构具有较多的活性位点和更高的比表面积，负载较多的钴团簇，有利于锌-空气电池的高容量和稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种锌-空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料及其制备方法。根据本专利技术提供的氮掺杂且含缺陷的碳孔道负载的钴团簇材料在锌-空气电池中具有优良的比容量和良好的稳定性，成本低廉，适合于工业化生产，应用领域广泛。本专利技术的目的及解决其技术问题采用以下的技术方案来实现。依据本专利技术提出的一种锌-空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料其中所述材料包含氮掺杂且含缺陷的多孔碳和钴(II)团簇，所述氮掺杂且含缺陷的多孔碳为载体，所述钴(II)团簇负载在所述氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道中，所述的氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料用作氧还原反应和氧析出反应的双功能催化剂。前述的锌-空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料，其中，以重量百分数计，所述氮掺杂多孔碳和所述氮化钛的重量比为(85％-95％)：(5％-15％)。前述的锌-空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料，其中所述钴团簇的晶粒尺寸为9.8-14.1nm。前述的锌-空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料，其中所述多孔碳孔道尺寸为7.1-20.5nm。前述的锌-空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料，其中所述氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料的孔体积为107.8cm3/g，比表面积为1917m2/g。本专利技术的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本专利技术提出的一种制备上述的锌-空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料的方法，该方法包括以下步骤：a.70-90℃下，将碳置于氨气流中吸附水蒸气；b.将上述步骤a中得到的产物浸入到乙酰丙酮钴/乙酸乙酯饱和溶液中4-8小时，然后过滤收集产物；c.氨气气氛中，将上述步骤b中得到的产物在一定条件下煅烧，即得氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料。前述的制备方法，其中所述步骤c中所述煅烧条件为：温度700-900℃，时间：1-3h。借由上述技术方案，本专利技术(名称)至少具有下列优点：(1)本专利技术的氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料是通过钴团簇与氮掺杂且含缺陷的多孔碳在孔道中复合：一方面，钴团簇具有较好的氧还原和氧析出反应活性，而碳材料具有很高导电性，有利于电子的传输；另一方面，通过钴团簇与氮掺杂且含缺陷的多孔碳复合，利用孔道负载的限域效应促进钴纳米颗粒的均匀分布，而材料中的多孔结构有利于增大其表面积，从而增强了钴活性材料的氧还原和氧析出反应活性。(2)依据本专利技术提供的氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料在锌-空气电池中用作氧还原反应和氧析出反应的双功能催化剂，很大程度上提高了锌-空气电池的稳定性和优良的比容量。(3)本专利技术步骤简单，可控，易于实现工业化生产。综上所述，本专利技术提供的氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料及其制备方法，并提供该材料在锌-空气电池中的应用，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在类似产品中未见有类似的设计公开发表或使用而确属创新，其不论在制备方法上或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的电池用材料具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例详细说明如后。本专利技术的具体制备方法及其结构由以下实施例详细给出。附图说明图1a为根据本专利技术的实施例1中制备的氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料与对比实施例1中制备的氮掺杂碳孔道负载钴团簇材料以及对比实施例2的KJ-600多孔碳的XRD对比图；图1b为根据本专利技术的实施例1中制备的氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料与对比实施例1中制备的氮掺杂碳孔道负载钴团簇材料以及对比实施例2的KJ-600多孔碳的拉曼光谱表征图；图1c、1d、1e分别对应于根据本专利技术的对比实施例1中制备的氮掺杂碳孔道负载钴团簇材料与实施例1中制备的氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料以及对比实施例2的KJ-600多孔碳的ID/IG的轮廓图；图1f为根据本专利技术的实施例1中制备的氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料与对比实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锌-空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料，其中所述材料包含氮掺杂且含缺陷的多孔碳和钴(II)团簇，所述氮掺杂且含缺陷的多孔碳为载体，所述钴(II)团簇负载在所述氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道中，所述的氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料用作氧还原反应和氧析出反应的双功能催化剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种锌-空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料，其中所述材料包含氮掺杂且含缺陷的多孔碳和钴(II)团簇，所述氮掺杂且含缺陷的多孔碳为载体，所述钴(II)团簇负载在所述氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道中，所述的氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料用作氧还原反应和氧析出反应的双功能催化剂。


2.根据权利要求1所述的锌-空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料，其中，以重量百分数计，所述氮掺杂多孔碳和所述氮化钛的重量比为(85％-95％)：(5％-15％)。


3.根据权利要求1所述的锌-空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料，其中所述钴团簇的晶粒尺寸为9.8-14.1nm。


4.根据权利要求1所述的锌-空气电池用氮掺杂且含缺陷的多孔碳孔道负载钴团簇材料，其中所述多孔碳孔道尺寸...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈忠伟，张益宁，毛治宇，俞同文，
申请(专利权)人：苏州沃泰丰能电池科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32