具有强催化作用的三维有序钴-氮微孔碳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具有强催化作用的三维有序钴

【技术实现步骤摘要】
具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及材料
，具体涉及一种具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]化石资源的耗竭和温室效应的加剧迫使人类将注意力转向可再生和更清洁的能源。将风能、太阳能等可再生能源集成到电网中，要求储能系统具有更高的安全性、高能量、低成本和长周期寿命。此外，利用可充电电池系统作为储能单元，可以使运输能量损失最小化，由此电极材料的研究得到了广泛的关注。近年来，金属有机框架、不同纳米结构的碳材料和MXene等材料在多个领域，特别是在能源转换和能源储备领域，具有广泛的应用。其中金属有机框架(MOFs
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Metal organic Frameworks)衍生的碳材料是近年来新兴的一种多孔材料，MOFs是指通过金属中心或者金属团簇和多齿有机配体以自组装的形式构筑而成的具有周期性一维、二维或三维网络结构的晶体材料。经过近二十年的研究发展，金属有机框架衍生碳材料在理论研究和相应的实际应用方面都取得了一系列重大的进展，丰富的孔结构和低的成本被多个领域广泛应用。
[0003]但是，现有的金属有机框架衍生碳材料应用于能源转换和能源储备领域时，仍然需要改善孔结构和形貌，并且需要超高的比表面积。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料的制备方法；本专利技术的目的之二在于提供所述方法制备的具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料，制备的碳材料为三维有序钴
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氮微孔结构，具有高比表面积、丰富的微孔并具有催化性能；本专利技术的目的之三在于提供所述具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料在钠硫电池正极材料中的应用。
[0005]为了实现以上目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0006]1、一种具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)可溶性锌盐和柠檬酸加入有机溶剂中发生络合反应，得到悬浊液；
[0008](2)向步骤(1)所得的悬浊液中加入聚甲基丙烯酸甲酯，混匀使反应后，过滤，烘干，先在惰性气氛中煅烧，然后在空气中煅烧，得到含氧化锌的前驱体；
[0009](3)将步骤(2)所得的含氧化锌的前驱体、可溶性钴盐、二甲基咪唑加入有机溶剂中，混合搅拌，共沉淀反应后离心，洗涤，干燥，得到金属钴有机框架材料；
[0010](4)将步骤(3)所得的金属钴有机框架材料在惰性气氛下碳化，得到钴
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氮微孔碳材料。
[0011]本专利技术优选的，步骤(1)中，所述可溶性锌盐选自但不限于硝酸锌、氯化锌、硫酸锌、醋酸锌；所述有机酸选自但不限于无水柠檬酸、甲酸、磺酸、乙酸；所述可溶性锌盐和有
机酸的摩尔比为1：3；反应条件为温度70
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140℃下反应8～28小时。
[0012]本专利技术优选的，步骤(2)中，所述聚甲基丙烯酸甲酯的加入量为相当于锌盐摩尔数的2倍，所述反应条件为温度50
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100℃下反应20～48小时；惰性气氛中煅烧条件为温度300℃保温3h；空气中煅烧条件为两步煅烧，第一阶段温度300℃保温1
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2h，第二阶段温度600℃保温2
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3h。
[0013]本专利技术优选的，步骤(3)中，可溶性钴盐选自但不限于六水合氯化钴、六水合硝酸钴、六水合乙酸钴；含氧化锌的前驱体、可溶性钴盐、二甲基咪唑的摩尔比为1：4：2。
[0014]本专利技术优选的，步骤(3)中，所述共沉淀的反应为温度30
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60℃下反应20～48小时。
[0015]本专利技术优选的，步骤(4)中，所述碳化为800℃下碳化2小时。
[0016]本专利技术优选的，步骤(1)和(3)中，所述有机溶剂选自但不限于甲醇、乙醇、异丙醇，乙二醇。
[0017]本专利技术优选的，还包括以下步骤：将步骤(4)所得的钴
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氮微孔碳材料在强酸中氧化，洗去材料中的金属离子。
[0018]2、所述制备方法制备的具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料。
[0019]3、所述具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料在钠硫电池正极材料中的应用。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021]本专利技术先将柠檬酸与锌离子反应生成金属络合物，再与高分子聚合物聚甲基丙烯酸甲酯碳化生成含氧化锌的前驱体，并且将含氧化锌的前驱体和金属钴有机框架材料复合得到具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料，该碳材料的形貌为特定的正多面体结构，具有独特的孔径结构、超高的比表面积、丰富的微孔和金属催化性能，此结构微孔材料相对于2D材料，将会大大增加比表面并有助于电解液的渗透和电子传输速率，提升其能源储备性能。
附图说明
[0022]图1为具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料M4的FESEM图；
[0023]图2为具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料M4的M4Mapping图；
[0024]图3为具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料M4的M4XRD图；
[0025]图4为具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料M4的BET图和孔径分布图；
[0026]图5为M4、M0制得的钠硫硫电池正极的CV曲线图；
[0027]图6为M4制得的钠硫电池正极材料融硫的TGA图；
[0028]图7为M4、M0制得的钠硫电池正极阻抗曲线；
[0029]图8为M4制得的钠硫电池正极材料在不同电流密度下的充放电曲线；
[0030]图9为M4、M0制得的钠硫电池正极的倍率性能图；
[0031]图10为M4、M0制得的钠硫电池正极的正极的长循环性能曲线；
[0032]图11为M4、M0制得的钠硫电池正极的电压容量图；
[0033]图12为M4、M9、M2制得的钠硫电池正极的电压容量图。
具体实施方式
[0034]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术作进一步阐述。
[0035]实施例1
[0036]具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料的方法，按如下步骤制备：
[0037](1)首先按照摩尔比1：3的比例量取硝酸锌和无水柠檬酸，将硝酸锌和无水柠檬酸加入到甲醇溶液中，混合均匀，搅拌至过夜，搅拌反应的温度为70℃，反应时间为28小时，制备成溶液A；
[0038](2)将相当于锌盐摩尔数的2倍的聚甲基丙烯酸甲酯加入到溶液A中制备成溶液B，将溶液B混合搅拌均匀12本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)可溶性锌盐和有机酸加入有机溶剂中发生络合反应，得到悬浊液；(2)向步骤(1)所得的悬浊液中加入聚甲基丙烯酸甲酯，混匀使反应后，过滤，烘干，先在惰性气氛中煅烧，然后在空气中煅烧，得到含氧化锌的前驱体；(3)将步骤(2)所得的含氧化锌的前驱体、可溶性钴盐、二甲基咪唑加入有机溶剂中，混合搅拌，共沉淀反应后离心，洗涤，干燥，得到金属钴有机框架材料；(4)将步骤(3)所得的金属钴有机框架材料在惰性气氛下碳化，得到钴
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氮微孔碳材料。2.根据权利要求1所述的具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述可溶性锌盐选自但不限于硝酸锌、氯化锌、硫酸锌、醋酸锌；所述有机酸选自但不限于无水柠檬酸、甲酸、磺酸、乙酸；所述可溶性锌盐和有机酸的摩尔比为1：3；反应条件为温度70
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140℃下反应8～28小时。3.根据权利要求1所述的具有强催化作用的三维有序钴
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氮微孔碳材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述聚甲基丙烯酸甲酯的加入量相当于锌盐摩尔数的2倍，所述反应条件为温度50
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100℃下反应20～48小时；惰性气氛中煅烧条件为温度300℃保温3h；空气中煅烧条件为两步煅烧，第一阶段温度300℃保温1
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【专利技术属性】
技术研发人员：李长明，刘利飞，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：