钴金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂、其制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种钴金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂，包括载体及掺杂于载体表面的活性成分，所述载体为油菜花粉碳，所述活性成分为Co

【技术实现步骤摘要】
钴金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂、其制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及能量存储和转换材料与器件
，特别是涉及一种钴金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂、其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]日益严重的能源危机和环境问题要求开发和利用各种可再生的清洁能源来替代传统的化石燃料，因此需要对各种能量存储和转换系统进行更加深入的研究，如安全、低成本、高能量密度和环境友好的燃料电池、可充电金属空气电池。由催化剂驱动的电化学氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)作为两个关键的阳极/阴极反应过程，是各种可持续能源技术的基础和核心反应，而多步的可逆氧反应和质子耦合电子转移过程导致它们动力学缓慢，因此大量研究致力于开发高效的电催化剂，以降低过电位并加快反应效率。然而，由于ORR是OER的逆过程，发生条件不同，而且在反应过程中存在不同的电势，制造在相同电解质中具有高双功能活性以及优异耐久性的电催化剂是一个主要挑战。值得注意的是，目前用于简单ORR或OER的基准催化剂是贵金属基催化剂(Pt、Ir、RuO2等)，这些催化剂双功能催化特性较差，铂(Pt)基催化剂被认为对ORR更有效，钌(Ru)基和铱(Ir)基催化剂则对OER更具活性。此外，含贵金属催化剂的商业化很大程度上限制于其高成本、有限的稳定性和稀缺储量。显然，迫切需要开发具有高ORR和OER活性的经济耐用的双功能电催化剂。分别适用于两种反应的活性组分的简单混合，并不一定能带来高效的双功能催化活性，反而会增加能源装置的加工成本和组装复杂性。因此，应致力于研究同时拥有ORR和OER催化活性的催化剂。作为回应，已经开发了各种基于过渡金属的非贵金属催化剂，例如过渡金属氧化物或氢氧化物、硫族化物和金属杂原子掺杂的碳材料。尽管取得了重大进展，但目前的双功能催化剂仍然面临着活性和稳定性不足以及传质性能差的问题。

技术实现思路

[0003]基于此，有必要针对目前的双功能催化剂仍然面临着活性和稳定性不足以及传质性能差的问题，提供一种钴金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂、其制备方法及应用。
[0004]一种钴金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂，包括载体及掺杂于所述载体表面的活性成分，所述载体为油菜花粉碳，所述活性成分为Co
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N
x
。
[0005]作为一种优选方案，所述Co
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N
x
的重量为所述钴金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂总重量的的20.85～25.49％。
[0006]一种钴金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0007]1)将去离子水和钴盐加入到烧杯中，超声处理后，得到混合溶液
[0008]2)将油菜花花粉粉末加入混合溶液中，加热搅拌直到水分完全蒸干，冷却至室温，真空干燥后，得到前驱体；
[0009]3)在氮气氛围下，前驱体高温煅烧后，得到钴金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂。
[0010]作为一种优选方案，所述钴盐为四水合乙酸钴、氯化钴或硝酸钴。
[0011]作为一种优选方案，所述混合溶液中钴盐的浓度为2.25～6g/L。
[0012]作为一种优选方案，步骤1)中超声处理的时间为为10～30min。
[0013]作为一种优选方案，所述钴盐与所述油菜花花粉粉末的质量比为(1.5～2.0):1。
[0014]作为一种更优选方案，所述钴盐与所述油菜花花粉粉末的质量比为1.8:1。
[0015]作为一种优选方案，步骤2)中油菜花花粉粉末与混合溶液在温度为70℃～80℃的条件下反应。
[0016]作为一种优选方案，步骤2)中真空干燥的温度为60℃～70℃。
[0017]作为一种优选方案，步骤2)中真空干燥的时间为16～24h。
[0018]作为一种优选方案，步骤3)中所述煅烧温度为600℃～800℃。
[0019]作为一种优选方案，步骤3)中高温煅烧过程中以升温速率为5～10℃/min升温至所述煅烧温度。
[0020]作为一种优选方案，所述高温煅烧的时间为2～4h。
[0021]本专利技术的有益效果为：
[0022]钴金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂中的Co纳米颗粒和氮元素的协同催化作用；以油菜花粉碳为载体可以提高电导率，为氧气和电解质提供快速通道，并保护活性位点。
[0023]以油菜花粉作为碳源，不仅可以实现N的自掺杂，而且其天然均匀的生物结构能够促进钴金属纳米颗粒的超均匀分散，从而大大减少了颗粒尺寸和钴金属含量，同时增加了活性位点的暴露。此外，油菜花粉碳载体可以与钴金属形成强相互作用，有效阻止钴金属纳米颗粒的迁移和聚集，提高催化剂的稳定性。
[0024]由于钴盐属于基本的工业原料，而花粉为生物质，成本较低且来源广泛。另外制备过程在常压条件下进行，反应设备主要为超声机、水浴锅、真空干燥箱和管式炉。反应条件易于控制，无需高压；生产工艺简便，所得产品一致性好，无有害气体产生，环境污染小，有利于商业化生产。
附图说明
[0025]图1为本专利技术之实施例2制得的Co@RPC
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700的合成示意图；
[0026]图2为本专利技术之实施例1制得的Co@RPC
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600、实施例2制得的Co@RPC
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700以及实施例3制得的Co@RPC
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800的X
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射线衍射(XRD)图；
[0027]图3为本专利技术之实施例2制得的Co@RPC
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700的扫描电镜图；
[0028]图4为本专利技术之实施例2制得的Co@RPC
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700的透射电镜图；
[0029]图5为本专利技术之实施例1制得的Co@RPC
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600和实施例3制得的Co@RPC
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800的扫描电镜图；
[0030]图6为本专利技术之商业的Pt/C催化剂、实施例1制得的Co@RPC
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600、实施例2制得的Co@RPC
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700以及实施例3制得的Co@RPC
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800的析氧极化曲线；
[0031]图7为本专利技术之商业的Pt/C催化剂、实施例1制得的Co@RPC
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600、实施例2制得的Co@RPC
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700以及实施例3制得的Co@RPC
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800的计时电流曲线；
[0032]图8为本专利技术之对比例制得的Rape pollen、实施例1制得的Co@RPC
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600、实施例2制得的Co@RPC
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700以及实施例3制得的Co@RPC
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800的ORR电化学阻抗谱；
[0033]图9为本专利技术之商业的IrO2催化剂、商业的Pt/C催化剂、实施例1制得的Co@RPC
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600、实施例2制得的Co@RPC
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700以及实施例3制得的Co@RPC
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钴金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂，其特征在于，包括载体及掺杂于所述载体表面的活性成分，所述载体为油菜花粉碳，所述活性成分为Co
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N
x
。2.根据权利要求1所述的金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂，其特征在于，所述Co
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N
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的重量为所述钴金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂总重量的的20.85～25.49％。3.一种钴金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将去离子水和钴盐加入到烧杯中，超声处理后，得到混合溶液；2)将油菜花花粉粉末加入混合溶液中，加热搅拌直到水分完全蒸干，冷却至室温，真空干燥后，得到前驱体；3)在氮气氛围下，前驱体高温煅烧后，得到钴金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂。4.根据权利要求3所述的钴金属掺杂油菜花粉碳复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述钴盐为四水合乙酸钴、氯化钴或硝酸钴。5.根据权利要求3所述的钴金属掺杂油菜花...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔立峰，张志远，张新河，
申请(专利权)人：广东格林赛福能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：