一种氮掺杂碳包覆金属复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂碳包覆金属复合材料及其制备方法和应用，该复合材料通过尿素与乙酰丙酮金属配合物反应制备得到，其为片层状结构，氮原子均匀掺杂在碳材料基体中，金属纳米颗粒被碳材料所包覆，所述碳材料基体上存在多个纳米孔，所述纳米孔的孔径为3～20nm，所述金属纳米颗粒的粒径为5～50nm。所述制备方法包括：(1)将尿素和乙酰丙酮金属配合物以1：0.05～0.2的质量比混合均匀后进行研磨；(2)将步骤(1)所得的研磨混合物在惰性气氛下在650～900℃的温度下处理1～3h。本发明专利技术还涉及本发明专利技术的复合材料或根据上述方法制备的复合材料作为电催化剂的应用。本发明专利技术的复合材料的催化活性高、耐久性强，原料廉价易得，制备方法简单易行，可实现大规模批量生产。可实现大规模批量生产。可实现大规模批量生产。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳包覆金属复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电催化剂制备
，具体涉及一种氮掺杂碳包覆金属复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在众多新能源领域中，燃料电池及金属空气电池由于其能量转换效率高和可忽略的污染物排放等优点而受到研究人员的极大关注。涉及四电子转移步骤的阴极电催化氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction，ORR)，由于其缓慢的动力学特性，使得燃料电池和金属空气电池最终的转化效率不高。目前，贵金属铂基复合材料由于其具有高的本征电催化活性，在碱性和酸性电解液中均展现出最高效的氧还原反应催化活性，但是由于铂基催化剂使用成本高、易中毒和稳定性差等缺点，极大地限制了其在实际的燃料电池和金属空气电池中大规模使用。因此，开发成本低、活性高和耐久性好的新型氧还原反应电催化剂已被认为是新能源领域的重点和难点。
[0003]综上所述，以廉价易得的物质为原料，通过简单易行的制备方法合成催化活性高、耐久性强的高性价比电催化剂具有重要意义和挑战性。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术的一个目的是提供一种氮掺杂碳包覆金属复合材料。
[0005]本专利技术的另一个目的是提供一种制备氮掺杂碳包覆金属复合材料的方法，制备该氮掺杂碳包覆金属复合材料的原料廉价易得，方法简单易行，制得的催化剂的催化活性高、耐久性强。
[0006]本专利技术的又一个目的是提供如上所述的氮掺杂碳包覆金属复合材料或根据上述制备方法获得的氮掺杂碳包覆金属复合材料作为电催化剂的应用。
[0007]为达到上述目的，本专利技术提供一种氮掺杂碳包覆金属复合材料，其通过尿素与乙酰丙酮金属配合物反应制备得到，所述氮掺杂碳包覆金属复合材料为片层状结构，氮原子均匀掺杂在碳材料基体中，金属纳米颗粒被碳材料所包覆，所述碳材料基体上存在多个纳米孔，所述纳米孔的孔径为3～20nm，所述金属纳米颗粒的粒径为5～50nm。
[0008]在一些实施方案中，所述纳米孔的孔径为3～10nm，优选为3.8nm，所述金属纳米颗粒的粒径为10～30nm，优选为15nm。
[0009]在一些实施方案中，所述复合材料的比表面积为300～500m2/g，优选为430m2/g。
[0010]在一些实施方案中，所述碳材料为石墨化碳。
[0011]在一些实施方案中，所述金属选自铁、钴、镍、铜或锌中的一种或多种，优选地，所述金属选自铁、钴或镍中的一种或多种，更优选地，所述金属为钴。
[0012]在一些实施方案中，本专利技术提供制备如上所述的氮掺杂碳包覆金属复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：
[0013](1)将尿素和乙酰丙酮金属配合物混合均匀后在研磨机上研磨1～5h来制备研磨
混合物，其中研磨机的转速为200～500rpm，尿素和乙酰丙酮金属配合物的质量比为1：0.05～0.2；
[0014](2)将步骤(1)所得的研磨混合物在惰性气氛下升温至650～900℃，并在该温度下处理1～3h，最终制得所述氮掺杂碳包覆金属复合材料。
[0015]在一些实施方案中，所述乙酰丙酮金属配合物中的金属选自铁、钴、镍、铜或锌中的一种或多种，优选地，所述金属选自铁、钴或镍中的一种或多种，更优选地，所述金属为钴。
[0016]在一些实施方案中，在步骤(1)中，尿素和乙酰丙酮金属配合物的质量比为1：0.125～0.2，优选地，在步骤(1)中，研磨时间为1～2h，研磨机的转速为200～400rpm。
[0017]在一些实施方案中，在步骤(2)中，处理温度为700～800℃，优选为700℃或800℃，更优选为700℃。
[0018]在一些实施方案中，在步骤(2)中，所述惰性气氛选自氩气、氦气或氮气中的一种或多种，处理时间为1～2h。
[0019]在一些实施方案中，在步骤(2)中，升温速率为1～20℃/min，优选为1～3℃/min，更优选为3℃/min。
[0020]在一些实施方案中，在上述制备方法中，所述乙酰丙酮金属配合物为乙酰丙酮钴(III)，在步骤(1)中的研磨时间为2h，研磨机的转速为400rpm，尿素和乙酰丙酮钴(III)的质量比为1：0.125；在步骤(2)中，所述惰性气氛为氩气，升温速率为3℃/min，处理温度为700℃，处理时间为2h。
[0021]在一些实施方案中，本专利技术进一步提供如上所述的氮掺杂碳包覆金属复合材料或根据上述方法制备的氮掺杂碳包覆金属复合材料作为电催化剂的应用。
[0022]在一些实施方案中，本专利技术进一步提供如上所述的氮掺杂碳包覆金属复合材料或根据上述方法制备的氮掺杂碳包覆金属复合材料作为氧气电还原反应催化剂的应用。
[0023]此外，本专利技术的氮掺杂碳包覆金属复合材料的用途不局限于电催化领域，其也可以用作其他领域的催化剂，例如在化学领域用作多相催化加氢的催化剂。
[0024]本专利技术的有益效果：
[0025]与现有技术相比，本专利技术提供的片层状氮掺杂碳包覆金属复合材料及其制备方法具有以下优势：
[0026]1、目前燃料电池及金属空气电池中阴极常用的催化剂为贵金属Pt/C催化剂，该催化剂制备成本高、循环性差且回收利用率低，从而不能满足大规模实际应用，而本专利技术采用廉价易得的尿素和乙酰丙酮金属配合物为原料，制备成本较低、循环稳定性好且回收利用率高，具有良好的工业化应用前景；
[0027]2、与目前常用的电催化剂相比，本专利技术制备的氮掺杂碳包覆金属催化剂具有独特的均匀一致的片层形貌和丰富的多孔结构、适中的氮掺杂量和均匀分散的金属单质纳米颗粒。片层形貌具有大的比表面积，有利于暴露更多的反应活性位点；多孔结构有利于提高反应物种的传输，使得催化剂具有优异的物质和电荷传输能力。因此，与现有技术的催化剂相比，本专利技术制备的具有片层状结构的氮掺杂碳包覆金属催化剂可以更有效地提高催化剂的氧还原反应性能。由于这些优点，本专利技术的氮掺杂碳包覆金属催化剂在宽的pH范围内对于电催化过程，特别是氧气电还原反应过程具有优异的电催化活性、良好的循环稳定性和增
强的甲醇耐受性；
[0028]3、本专利技术的制备方法不涉及任何溶剂，无需任何模板、操作简单、重复性好，且易于控制，所涉制备条件能满足实验室和工业生产需求，具有好的普适性，可以推广到其它多组分金属氮碳材料的可控制备和大规模生产中，有利于实现工业化规模生产。
附图说明
[0029]通过参考以下详细说明和附图，可以获得对本申请的更好理解，但应理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限制。
[0030]为了便于说明，在本申请中，根据本专利技术的实施例1制得的氮掺杂碳包覆金属钴复合材料标记为Co@N
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C
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700(700为处理温度)。类似地，根据本专利技术实施例2制得的氮掺杂碳包覆金属钴复合材料标记为Co@N
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C
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800，根据对比例1制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳包覆金属复合材料，其通过尿素与乙酰丙酮金属配合物反应制备得到，所述氮掺杂碳包覆金属复合材料为片层状结构，氮原子均匀掺杂在碳材料基体中，金属纳米颗粒被碳材料所包覆，所述碳材料基体上存在多个纳米孔，所述纳米孔的孔径为3～20nm，所述金属纳米颗粒的粒径为5～50nm。2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳包覆金属复合材料，其特征在于，所述纳米孔的孔径为3～10nm，优选为3.8nm，所述金属纳米颗粒的粒径为10～30nm，优选为15nm；优选地，所述复合材料的比表面积为300～500m2/g，优选为430m2/g；优选地，所述碳材料为石墨化碳；优选地，所述金属选自铁、钴、镍、铜或锌中的一种或多种，优选地，所述金属选自铁、钴或镍中的一种或多种，更优选地，所述金属为钴。3.一种制备权利要求1或2所述的氮掺杂碳包覆金属复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：(1)将尿素和乙酰丙酮金属配合物混合均匀后在研磨机上研磨1～5h来制备研磨混合物，其中研磨机的转速为200～500rpm，尿素和乙酰丙酮金属配合物的质量比为1：0.05～0.2；(2)将步骤(1)所得的研磨混合物在惰性气氛下升温至650～900℃，并在该温度下处理1～3h，最终制得所述氮掺杂碳包覆金属复合材料。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述乙酰丙酮金属配合物中的金...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈帅，樊卫斌，乔岩，
申请(专利权)人：中国科学院山西煤炭化学研究所，
类型：发明
国别省市：