一种包覆Co-Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种包覆Co

【技术实现步骤摘要】
一种包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于氧催化剂
，具体涉及一种包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]随着全球化石能源的消耗以及日益严重的环境污染问题，对可再生绿色新型能源存储和转换方式的探索已成为重要且富有挑战性的研究课题。电催化氧还原反应(ORR)以及析氧反应(OER)作为金属空气电池的核心部分，其电催化过程直接关系着电池的性能。传统的贵金属催化剂，因其价格昂贵、储量稀少、且催化动力学迟缓，极大地限制了新能源技术大规模商业化进程。因此，研究开发催化活性高、经济耐用的非贵金属催化剂以取代贵金属催化剂是解决问题的关键。
[0003]优异的ORR和OER活性是由于在导电碳基体上加入了含金属的活性位点。一般情况下，复合材料中碳载体、过渡金属和掺杂氮之间的相互作用对形成活性位点起着至关重要的作用。而过渡金属Co基材料，其合金及其化合物材料，也已经证实其具有良好的电催化氧还原性能，现也已经被大量报道用于开发纳米复合材料，如纳米管、纳米片和三维纳米网络，它们对氧的电催化具有相当大的催化活性。一维的纳米管结构有利于电子、物质的传输，从而提高氧还原的反应速率，而三维纳米网络结构因其分散的催化活性位点，相互交联的孔道结构以及较高的机械稳定性从而提高其电催化性能。因此，将上述这些协同优势综合起来，合成杂原子掺杂的包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米材料是一种明智的策略。然而现有技术中的合成过程均较为复杂，且不能更好地利用结构优势提高氧电催化的性能。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管的制备方法及其应用，该制备方法简易通用，成本低廉，而且制得的包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管作为氧电催化剂材料表现出优异的活性和稳定性。
[0005]为解决现有技术问题，本专利技术采取技术方案：一种包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：步骤1，在钴氰化钾水溶液中加入壳聚糖的醋酸水溶液，超声后形成溶胶，再经冷冻干燥得气凝胶；步骤2，将气凝胶在惰性气氛的保护下，升温至700
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900℃，保温3h，高温煅烧后反应得到由碳纳米片上生长出包覆Co纳米粒子的碳纳米管的多维结构；步骤3，将由碳纳米片上生长出包覆Co纳米粒子的碳纳米管的多维结构在空气中升温至200
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400℃，保温3h，高温煅烧得包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管。
[0006]作为改进的是，步骤1中所述钴氰化钾水溶液的浓度为0.002
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0.006mol/L，壳聚糖的醋酸水溶液的浓度为10
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30mg/mL。
[0007]作为改进的是，步骤2中所述惰性气氛为氮气、氩气、氦气、或二氧化碳中的一种或多种混合。
[0008]作为改进的是，步骤2和步骤3中升温的速率均为1
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20℃/min，热处理时间为2
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4h。
[0009]上述制备方法制得的是包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管。
[0010]上述包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管在制备碱性氧反应电催化剂中的应用。
[0011]上述包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管作为空气阴极催化剂在制备柔性金属空气电池的应用。
[0012]反应原理为：以钴氰化钾为金属源，壳聚糖为碳氮氧源，通过超声形成水凝胶，再冷冻干燥得到气凝胶，之后再在高温惰性气氛中进行第一步煅烧得到包覆Co纳米粒子的在碳纳米片上生长碳纳米管的结构，在空气气氛中进行第二步煅烧，部分单质Co被氧化成为Co3O4，形成Co
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Co3O4异质纳米颗粒，多余的碳纳米片被氧化成二氧化碳，得到包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管。该材料形貌较为规整，一维的碳纳米管有利于电子的转移以及物质的传输，其中Co和Co3O4形成异质纳米粒子，形貌与组分之间的协同效应可以提高催化氧的电催化性能。此外，所述的碳纳米管中含有一定的N元素，更有利于提高氧的电催化活性。将包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管组装到金属空气电池的空气阴极中，表现出很好的循环充放电性能。
[0013]本专利技术通过简单混合原料、再通过两步高温煅烧得到包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管，这种材料形成了较为特殊的形貌，一维碳纳米管交联形成三维网络结构，既有利于电子传输及物质的转移，又增强了机械稳定性，其组分和形貌两方面协同起作用，使得其具有更高的活性。
[0014]有益效果：与现有技术相比，本专利技术一种包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管的制备方法及其应用，具有以下几种优势：1) 钴前驱体和壳聚糖在高温煅烧中形成的较小粒子尺寸的Co
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Co3O4异质纳米粒子，所制得的产物形貌规整，由于异质结构的存在因而具有优异的电化学活性和较多的催化活性位点，以及稳定性良好和一维复合结构等特点，与常规的Co基合金材料相比，所制备的Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管具备更为优异的结构特点和组分优势，是一种极有潜力的氧电催化剂材料，预计在未来的能源行业应用前景广阔；2)一维碳纳米管交联而成的三维碳管网络结构，使催化剂材料具有较大的比表面积，同时碳管间隙形成的孔道结构能够有效的促进电解液与催化剂的接触，有利于反应的发生；3）一维碳纳米管结构能够定向的促进电子和离子的快速传输，提高催化反应速率，促进反应物的反应和产物的快速产出；4）本专利技术通过简便、可实现规模化生产的方法制备一维碳管包覆钴基金属粒子，所选用的壳聚糖廉价易得，与传统制备氧还原电催化剂材料的方法相比，例如电沉积法、溶剂热法等，该方法工艺简单易行、成本低廉、操作简单、可实现大规模生产。
附图说明
[0015]图1为本专利技术实施例1制备的包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管的低倍SEM图谱；图2为本专利技术实施例1制备的包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管放大的SEM图谱；图3为本专利技术实施例1制备的包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管的TEM图谱；图4为本专利技术实施例1制备的包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管的TEM图谱；图5为本专利技术实施例1制备的包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管的HRTEM图谱；图6为本专利技术实施例1制备的包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管的XRD图谱；图7为本专利技术实施例1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在钴氰化钾水溶液中加入壳聚糖的醋酸水溶液，超声后形成溶胶，再经冷冻干燥得气凝胶；步骤2，将气凝胶在惰性气氛的保护下，升温至700
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900℃，高温煅烧后反应得到由碳纳米片上生长出包覆Co纳米粒子的碳纳米管的多维结构；步骤3，将由碳纳米片上生长出包覆Co纳米粒子的碳纳米管的多维结构在空气中升温至200
‑
400℃，高温煅烧得包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管。2.根据权利要求1所述的一种包覆Co
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Co3O4异质纳米粒子的碳纳米管的制备方法，其特征在于，步骤1中所述钴氰化钾水溶液的浓度为0.002
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0.006 mol/L，壳聚糖的醋酸水溶液的浓度为10
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30mg/mL。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐林，张彬彬，李同飞，任怡平，黄龙珍，唐亚文，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：