一种MOF@PVP衍生的Co、N共掺杂多孔碳及电池制造技术

本发明专利技术公开了一种MOF@PVP衍生的Co、N共掺杂多孔碳及电池，其制备方法包括如下步骤：将钴盐、锌盐分别溶解于醇溶剂中，混合均匀后，向其中加入聚乙烯吡咯烷酮，钴盐、锌盐和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2

【技术实现步骤摘要】
一种MOF@PVP衍生的Co、N共掺杂多孔碳及电池


[0001]本专利技术属于电池催化材料
，具体涉及一种MOF@PVP衍生的Co、N共掺杂多孔碳及电池，该电池为可充电锌
‑
空气电池，可用作电动汽车动力电源。

技术介绍

[0002]这里的陈述仅提供与本专利技术相关的
技术介绍
，而不必然地构成现有技术。
[0003]目前，新能源汽车主要采用的是锂离子电池作为动力电源，然而锂离子电池具有污染大、安全性低、资源有限等缺点。可充电锌空气电池(ZABs)由于其低成本、零污染、高比能量密度和高安全性可以成为下一代电动汽车能量存储装置。而ZABs的能量利用能力与氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的性能密切相关。到目前为止，Pt基和Ru/Ir基催化剂分别表现出了高效的电催化活性。不足的是，贵金属电催化剂很难同时拥有优异的ORR和OER催化性能。另外，贵金属基材料的高成本和稀有可用性限制了它们在ZABs中的大规模应用。
[0004]基于非贵金属和氮共掺杂的MOF正成为科研人员研究的重要方向之一。碳化得到碳材料具有比表面积大、氮源丰富和孔隙率高等特点，通过直接碳化法可以将金属氧化物转化为多孔氧电催化剂，由于金属氧化物含有Zn/Co、C、N等元素，所以通过碳化反应生成杂原子掺杂的碳基电催化剂。共掺杂碳催化剂大大提高了电催化剂的电催化活性。
[0005]然而，MOF作为前驱体存在以下问题：高温热解过程中MOF的收缩会导致孔隙塌陷或孔隙率降低，也会导致暴露的活性中心减少，限制了质量/反应物的迁移。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种MOF@PVP衍生的Co、N共掺杂多孔碳及电池。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种MOF@PVP衍生的Co、N共掺杂多孔碳，其制备方法包括如下步骤：
[0009]将钴盐、锌盐分别溶解于醇溶剂中，每毫升醇溶剂中溶解10
‑
20mg钴盐和10
‑
20mg锌盐，混合均匀后，向其中加入聚乙烯吡咯烷酮，钴盐、锌盐和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2
‑
4:2
‑
4:1，超声处理，得混合液；
[0010]将浓度为40
‑
50g/L的2
‑
甲基咪唑醇溶液与所述混合液按体积比为2
‑
4:1
‑
3混合，然后在40
‑
60℃搅拌反应5
‑
20h；
[0011]搅拌反应完毕后，将反应体系进行干燥处理脱除醇溶剂，得样品；
[0012]将样品在惰性气氛中，750℃
‑
850℃煅烧1
‑
3h，在氮气保护下冷却，即得。
[0013]第二方面，本专利技术提供一种电池，所述电池为锌空气电池，其还原反应和析氧反应催化剂为所述MOF@PVP衍生的Co、N共掺杂多孔碳。
[0014]上述本专利技术的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
[0015]当钴盐、锌盐和聚乙烯吡咯烷酮在醇溶剂中超声处理，使其混合均匀后，然后向其
中加入2
‑
甲基咪唑醇溶液，使溶液混合均匀，在反应过程中，将聚乙烯吡咯烷酮均匀包覆于MOF中，去除醇溶剂干燥后，煅烧过程中，聚乙烯吡咯烷酮的高温煅烧骨架在煅烧过程中对MOF起到一定的较好的支撑作用，可以有效防止MOF在高温下因收缩而导致的孔隙塌陷和孔隙率降低等问题，可以有效保证多孔炭材料的孔隙率和孔径大小，并保证了暴露的活性位点的数量。此外，聚乙烯吡咯烷酮和MOF煅烧形成的碳界面结构，有助于提高催化剂材料的催化性能。
[0016]锌盐在煅烧过程中被还原为锌原子，锌原子在高温状态下蒸发，有效增加了多孔炭催化剂中的介孔数量，加速了质量/反应物的转移，可以有效提高催化剂的ORR和OER催化性能。
[0017]钴盐经过煅烧掺杂于多孔炭中，Co的活性位点有效提高了多孔炭催化剂的OER活性。
[0018]氮的掺杂可以形成不同种类的氮形式，而吡啶氮、吡咯氮和Co
‑
N
x
在ORR和OER过程中起着关键作用。
[0019]经过试验发现，当煅烧热解温度升高时，所得Co、N共掺杂多孔碳的石墨化程度升高，在一定程度上有利于ORR和OER催化性能的提高，但是热解温度过高时，产物中氮的含量降低，对ORR和OER催化性能产生不利影响。
[0020]本专利技术中制备的多孔电催化材料具有优良的ORR和OER双功能活性，并且应用于可充电电池具有长时间的循环充放电稳定性。同时有利于减少成本和保护环境。
附图说明
[0021]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0022]图1中，a为不同热解温度下合成的Co
‑
N
‑
PC的X射线衍射图谱；b为不同热解温度下合成的Co
‑
N
‑
PC的拉曼光谱图；c为Co
‑
NC@PVP和ZnCo
‑
ZIF@PVP的N2吸附曲线；d为不同热解温度下合成的Co
‑
N
‑
PC的XPS光谱图。
[0023]图2中，a为Co
‑
N
‑
PC
‑
800分别在饱和O2和N2的0.1M KOH溶液中的循环伏安曲线；b为不同热解温度下合成的Co
‑
N
‑
PC的线性伏安图；c为Co
‑
N
‑
PC
‑
700、Co
‑
N
‑
PC
‑
800、Co
‑
N
‑
PC
‑
900、Co
‑
NC和20％Pt/C的Tafel斜率图；d为在不同速度下测得的LSV曲线图；e为Co
‑
N
‑
PC
‑
800的RRDE测量图；f为Co
‑
NC、Co
‑
N
‑
PC
‑
700、Co
‑
N
‑
PC
‑
800、Co
‑
N
‑
PC
‑
900和20％Pt/C的半波电位、起始电位和塔菲尔斜率对比图。
[0024]图3中，a为Co
‑
N
‑
PC
‑
800催化剂在0.2
‑
1.1V电压范围内进行2000次循环后的LSV曲线；b为Co
‑
NC、Co
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MOF@PVP衍生的Co、N共掺杂多孔碳，其特征在于：其制备方法包括如下步骤：将钴盐、锌盐分别溶解于醇溶剂中，每毫升醇溶剂中溶解10
‑
20mg钴盐和10
‑
20mg锌盐，混合均匀后，向其中加入聚乙烯吡咯烷酮，钴盐、锌盐和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2
‑
4:2
‑
4:1，超声处理，得混合液；将浓度为40
‑
50g/L的2
‑
甲基咪唑醇溶液与所述混合液按体积比为2
‑
4:1
‑
3混合，然后在40
‑
60℃搅拌反应5
‑
20h；搅拌反应完毕后，将反应体系进行干燥处理脱除醇溶剂，得样品；将样品在惰性气氛中，750℃
‑
850℃煅烧1
‑
3h，在氮气保护下冷却，即得。2.根据权利要求1所述的MOF@PVP衍生的Co、N共掺杂多孔碳，其特征在于：所述钴盐选自硝酸钴、氯化钴或硫酸钴；所述锌源选自硝酸钴、氯化钴或硫酸钴。3.根据权利要求1所述的MOF@PVP衍生的Co、N共掺杂多孔碳，其特征在于：所述醇溶剂为甲醇或乙醇。4.根据权利要求1所述的MOF@PVP衍生的Co、N共掺杂多孔碳，其特征在于：所述超声处理的时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：周文汉，宋开通，闫鹤，赵欢欢，吴良恕，阚聪，
申请(专利权)人：奇瑞新能源汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：