一种一维钴/氮共掺杂碳基氧还原电催化剂的制备方法及应用技术

本发明专利技术属于新型纳米复合材料领域，涉及一种一维钴/氮共掺杂碳基氧还原电催化剂的制备方法及应用。使用酞菁钴/聚多巴胺纳米管复合物作为前驱体，通过高温热解大规模制备具有多级孔结构的一维钴

【技术实现步骤摘要】
一种一维钴/氮共掺杂碳基氧还原电催化剂的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于新型纳米复合材料领域，具体涉及一种一维钴/氮共掺杂碳基氧还原电催化剂的制备方法，应用于氧还原性能研究。

技术介绍

[0002]燃料电池被视为可替代传统化石燃料的高效可再生的能源储存器件，并且在近些年受到科学界越来越多的关注。氧还原反应作为燃料电池的重要反应，相关研究对于推动燃料电池的发展起到至关重要的作用。传统铂基催化剂的研究有很大的进展，但因其价格昂贵、稳定性较差、易受甲醇等有机分子毒化等缺点使其在实际应用上受到很大的限制。因此，近些年科学界在发展高效价廉的非贵金属催化剂（NPMCs）方面做出巨大努力。双功能氧催化剂的形貌及组成对其催化性质有着极大的影响。一维多孔碳材料（1D PCMs）有着独特的形貌优势，如较大的比表面积、易形成导电网络、具有较高的活性位点密度和快速的物料传递等，从而可显著提高氧还原催化活性。而在组成方面，氮原子掺杂将会引入新的活性位点，进一步增强碳材料的催化活性。由于氮原子的电负性（χ=3.04）大于碳原子（χ=2.55），当其掺杂进入碳层内部会产生电子传输位点，有利于促进氧还原过程中的电子传递和质量传递。另一方面，金属
‑
氮
‑
碳复合中心有利于催化反应的动力学过程。制备高效的一维钴
‑
氮共掺杂多级孔结构碳基纳米催化材料的关键是使氮原子均匀分布在一维材料表面并在高温处理后转化成钴
‑
氮
‑
碳活性位点。为达到这种目的，聚多巴胺表面涂层被广泛地应用在一维多孔氮掺杂碳催化剂的制备中。
[0003]聚多巴胺是一种与黑色素结构类似的聚合物，具有大量的酚羟基和氨基等官能团，不仅可以通过配位作用与多种金属离子配合，还可以与含有氨基或巯基的分子在碱性条件下发生席夫碱反应及迈克尔加成反应。除此之外，它还可作为良好的氮源及碳源转化为氮掺杂碳材料。聚多巴胺参与制备一维复合电催化剂已有许多报道。这些一维多孔氮掺杂碳催化剂在制备时均是将多巴胺聚合在碳材料或金属及金属氧化物的表面，在高温分解后因模板自身的不同而展现出不同的结构与性质。相比于将多巴胺聚合在一维纳米材料表面这种二次修饰方法，将一维多孔聚多巴胺纳米管作为催化剂的前驱体更加简便。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种一维钴/氮共掺杂碳基氧还原电催化剂的制备，实现了对氧还原性能研究。
[0005]本专利技术的目的之一是提供一种一维钴/氮共掺杂碳基氧还原电催化剂的制备方法。
[0006]本专利技术的目的之二是将所制备的一种一维钴/氮共掺杂碳基氧还原电催化剂用于氧还原性能研究。
[0007]本专利技术的技术方案，包括以下步骤：
1. 一种一维钴/氮共掺杂碳基氧还原电催化剂的制备，步骤如下：（1）将90.0~110.0mg聚多巴胺纳米管分散在40.0mL丙酮中，超声处理30min；（2）随后将溶解有10.0~13.0mg酞菁钴的10.0mL丙酮溶液加入（1）中，升温至60℃恒温搅拌8h，然后用丙酮洗涤沉淀，而后将沉淀置于真空烘箱中50℃过夜干燥即得酞菁钴/聚多巴胺纳米管复合物（CoPc/PDA NT）；（3）将盛有CoPc/PDA NT复合物的石英舟放入管式加热炉中，在氮气氛围下5℃ min
‑1升温至900℃并恒温2h即得Co/N
‑
CNT
‑
900；（4）此外，参照上述比例，另有0.5、2.5及5倍摩尔量的酞菁钴用于制备不同酞菁钴结合量的CoPc/PDA NT
‑
x（x=0.5, 2.5和5）复合物。以CoPc/PDA NT
‑
x作为前驱体制备Co/N
‑
CNT
‑
900
‑
x（x=0.5, 2.5和5）用以比较不同负载量酞菁钴催化剂的性质，热解处理步骤同上。
[0008]2. 如权利要求1所述的一种一维钴/氮共掺杂碳基氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，所述聚多巴胺纳米管的制备，步骤如下：（1）称取90.0~110.0mg姜黄素和360.0~440.0mg盐酸多巴胺并溶解在100.0mL无水乙醇中，搅拌至反应物完全溶解后向其中加入400.0mL去离子水，浅黄色溶液立即变为橙色悬浊液；（2）搅拌30min待姜黄素结晶完全后向其中加入3.0mL 三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液（1.5M、pH=8.8）引发多巴胺聚合；（3）继续搅拌反应12h后，将磁力搅拌器温度提高至100℃蒸发反应溶剂，待反应溶剂剩余约200.0mL时将磁力搅拌器温度调至室温；（4）待反应体系温度恢复至室温，在剩余反应液中加入乙醇洗脱，至姜黄素彻底除去后，再用去离子水清洗悬浮物，冷冻干燥即可获得聚多巴胺纳米管。
[0009]3. 如权利要求1所述的制备方法制备的一种一维钴/氮共掺杂碳基氧还原电催化剂，用于氧气还原反应催化性能研究，检测步骤如下：（1）5.0mg催化剂分散在1.0mL水
‑
异丙醇
‑
Nafion（V/V/V=15/4/1）的混合溶剂中并超声分散得到均匀的悬浮液（5.0mg mL
‑1）；（2）工作电极为负载有催化剂的旋转环盘电极，使用移液枪移取4.0
µ
L悬浮液旋涂至事先打磨干净的环盘电极上静置晾干，电极催化剂负载量为0.16mg cm
‑2；（3）所有的电化学实验，包括循环伏安扫描（CV）和线性伏安扫描（LSV）都是在室温下氧气或者氮气饱和的0.1M KOH溶液中进行的；（4）CV扫速为50mV s
‑1，LSV扫速为5mV s
‑1，环盘电极转速范围为400
‑
2250rpm。
[0010]本专利技术的有益成果（1）本专利技术制备了一种一维钴/氮共掺杂碳基氧还原电催化剂，一维聚多巴胺管作为前驱体复合物的结合部分，在碳化后仍维持良好的多孔结构，并拥有均匀分散的钴
‑
氮活性位点，同时为酞菁钴材料提供合适厚度的石墨化碳层，有效防止颗粒的过度聚集，并提高其催化稳定性。得益于催化剂组成与结构的协同优化，Co/N
‑
CNT
‑
900在碱性条件下展现出可媲美商业贵金属催化剂的催化活性，更高的稳定性与抗甲醇性；（2）一种一维钴/氮共掺杂碳基氧还原电催化剂用于氧还原性能研究，实现其对电催化氧还原反应的测试。在碱性条件下，催化剂有较好的氧还原催化特性；在0.1M KOH溶液
中其半波电位能够达到0.84V；通过K
‑
L方程可计算出反应电子转移数为3.87
‑
3.93，近似为4电子转移；通过长循环稳定测试，催化剂展现良好的稳定性，在40000s后，电流保持率仍高达94%。
具体实施方式
[0011]现将本专利技术通过具体实施方式进一步说明，但不限于此。
[0012]实施例1 一种一维钴/氮共掺杂碳基氧还原电催化剂的制备方法（1）将90.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种一维钴/氮共掺杂碳基氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：聚多巴胺纳米管的制备；制备酞菁钴/聚多巴胺纳米管复合物衍生碳基氧还原电催化剂，用于氧还原反应催化性能的研究；所述聚多巴胺纳米管的制备，步骤如下：
①
称取90.0~110.0mg姜黄素和360.0~440.0mg盐酸多巴胺并溶解在100.0mL无水乙醇中，搅拌至反应物完全溶解后向其中加入400.0mL去离子水，浅黄色溶液立即变为橙色悬浊液；
②
搅拌30min待姜黄素结晶完全后向其中加入3.0mL三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液（1.5M、pH=8.8）引发多巴胺聚合；
③
继续搅拌反应12h后，将磁力搅拌器温度提高至100℃蒸发反应溶剂，待反应溶剂剩余约200.0mL时将磁力搅拌器温度调至室温；
④
待反应体系温度恢复至室温，在剩余反应液中加入乙醇洗脱，至姜黄素彻底除去后，再用去离子水清洗悬浮物，冷冻干燥即可获得聚多巴胺纳米管。2.一维钴/氮共掺杂碳基氧还原电催化剂的制备，步骤如下：
①
将90.0~110.0mg聚多巴胺纳米管分散在40.0mL丙酮中，超声处理30min；
②
随后将溶解有10.0~13.0mg酞菁钴的10.0mL丙酮溶液加入
①
中，升温至60℃恒温搅拌8h，然后用丙酮洗涤沉淀，而后将沉淀置于真空烘箱中50℃过夜干燥即得酞菁钴/聚多巴胺纳米管复合物（CoPc/PDA NT）；
③
将盛有CoPc/PDA NT复合物的石英舟放入管式加热炉中，在氮气氛围下5℃ min...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐峰，王双娜，李月云，王淑君，邢朔，李悦源，刘青，王平，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：