一种氮掺杂碳包覆WC-Co氧还原电催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及电催化技术领域，公开了一种氮掺杂碳包覆WC

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳包覆WC
‑
Co氧还原电催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电催化
，具体涉及一种氮掺杂碳包覆WC
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Co氧还原电催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]化石能源支撑了中国主要能源的使用，但化石能源的短缺及并发的环境污染问题阻碍了未来的经济发展与社会进步。因此中国致力于发展新能源，逐步降低对化石能源的依赖，最终达到能源转型。在化石能源向新能源过渡的过程中，面临着对于先进的能源存储和转换技术的需求。
[0003]锌
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空气电池(ZAB)因其具有高能量密度、可重复利用、环境友好等优势被视为未来绿色能源储存的可持续选择。作为空气阴极中的重要组成部分，ORR电催化剂是影响整体能量转化效率的关键，其催化活性和稳定性是衡量该装置是否能够持续工作的重要指标。在此基础上，将海水替代纯水作为电解质，可以解决传统锌
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空气电池对纯水资源的浪费问题并实现海水资源的利用。目前，作为标准催化剂使用的铂、铱和钌等贵金属材料储量低且成本高，限制了锌
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空气电池的大规模应用。因此，亟需开发高效、成本低的非贵金属基氧还原电催化剂。
[0004]氮碳材料及金属钴已被作为催化材料而被广泛研究；钨基纳米催化剂因具有靠近费米能级的电子构型、优越的导电性、大储量以及相对低的成本，被认为是一种潜在的贵金属基催化剂的替代品。然而，目前传统方法得到的钨基电催化剂比表面积通常较小，易发生团聚，阻碍了传质过程，目前探索高活性和大比表面积钨基纳米催化剂的制备方法仍有巨大空间。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于改善现有技术中存在的上述问题，提出了一种氮掺杂碳包覆WC
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Co氧还原电催化剂及其制备方法和应用，该催化剂能够表现出优异的催化活性和稳定性，可应用于海水基锌
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空气电池领域，为海水资源的利用和锌
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空气电池的发展提供新的思路。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供的氮掺杂碳包覆WC
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Co氧还原电催化剂的制备方法，可以通过如下制备路线实现：
[0008](1)钨钴/沸石咪唑框架前驱体的制备：将0.8M的2
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甲基咪唑溶于去离子水中得到溶液A，再将0.13M的六水硝酸钴溶于去离子水中得到溶液B，将两种溶液混合均匀，继续加入100mL一定摩尔量的二水钨酸钠溶液搅拌均匀，缓慢滴加100mL的0.1M的硼氢化钠溶液，静置、离心，在60℃烘箱中干燥得到钨钴/沸石咪唑框架前驱体(WCo
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ZIF)；
[0009](2)氮掺杂碳包覆碳化钨和钴的制备：将WCo
‑
ZIF在惰性保护气氛下进行碳化处
理，以2～5℃/min升温速率升温至600～800℃反应2小时，得到氮掺杂碳包覆碳化钨和钴(WC
‑
Co@NC)催化剂。
[0010]根据技术路线的制备方法，其特征在于：
[0011]所述步骤(1)A、B溶液的体积比为3：1。
[0012]所述步骤(1)二水钨酸钠的摩尔量为0.03～0.1M。
[0013]所述步骤(1)静置时间为2.5～4h。
[0014]所述步骤(1)干燥时间为5～24h。
[0015]所述步骤(2)惰性保护气体为氩气、氮气中的一种或两种以上的混合气。
[0016]本专利技术还涉及保护上述制备方法得到的氮掺杂碳包覆WC
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Co氧还原电催化剂，具有较高的氧还原电催化活性和稳定性。
[0017]本专利技术还涉及保护上述氮掺杂碳包覆WC
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Co氧还原电催化剂在海水基锌
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空气电池空气阴极氧还原反应中的应用。
[0018]与已报到的非贵金属电催化剂的制备方法及应用相比，本专利技术具有以下优点：
[0019](1)本专利技术首次制备了由氮掺杂碳包覆的碳化钨和钴纳米颗粒氧还原电催化剂。(2)本专利技术制备方法过程可控，制备流程短且操作简单，生产成本低且具有一定的普适性，利于规模化生产。
[0020](3)本专利技术制备的氧还原电催化剂具有十字多面体形貌，其表面积较大，具有金属缺陷，提高了活性位点的暴露率。
[0021](4)本专利技术制备的氧还原电催化剂中WC和Co自发形成的界面内建电场加速了界面电荷分离，增强了界面电子转移。钨的引入可以有效地调节金属位点的轨道耦合，进一步平衡氧的吸附/解吸行为，从而显著增强反应动力学。
[0022](5)本专利技术制备的氧还原电催化剂具有优异的氧还原活性和稳定性，其在0.1M KOH+海水中的半波电位为0.894V。
[0023](6)本专利技术制备的氧还原电催化剂作为空气阴极构建的海水基锌
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空气电池能够长期稳定运行，在未来的实际应用中具有重要价值。
附图说明
[0024]图1为实施例1中前驱体WCo
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ZIF的扫描电镜图片。
[0025]图2为实施例1中氧还原电催化剂WC
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Co@NC的X射线衍射谱图。
[0026]图3为实施例1中氧还原电催化剂WC
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Co@NC的扫描电镜图片。
[0027]图4为实施例1中氧还原电催化剂WC
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Co@NC的电子顺磁共振光谱。
[0028]图5为实施例1中氧还原电催化剂WC
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Co@NC的原位拉曼光谱。
[0029]图6为实施例1中氧还原电催化剂WC
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Co@NC在氧还原电催化性能。
[0030]图7为实施例1中氧还原电催化剂WC
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Co@N C锌
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空气电池稳定性测试。
[0031]图8为实施例2中氧还原电催化剂WC
‑
Co@NC的扫描电镜图片。
[0032]图9为实施例2中氧还原电催化剂WC
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Co@NC在氧还原电催化性能。
[0033]图10为实施例3中氧还原电催化剂WC
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Co@NC的扫描电镜图片。
[0034]图11为实施例3中氧还原电催化剂WC
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Co@NC在氧还原电催化性能。
具体实施方式
[0035]实施例1
[0036]本专利技术是一种具有内建电场的氧还原电催化剂的合成方法，包括以下步骤：
[0037](1)将0.8M的2
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甲基咪唑溶于60mL去离子水中得到溶液A，再将0.13M的六水硝酸钴溶于20mL去离子水中得到溶液B，将两种溶液混合均匀，继续加入100mL的0.07M的二水钨酸钠溶液搅拌均匀，缓慢滴加100mL的0.1M的硼氢化钠溶液，静置4小时、离心，在60℃烘箱中干燥12小时得到钨钴/沸石咪唑框架前驱体(WCo
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳包覆WC
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Co氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)钨钴/沸石咪唑框架前驱体的制备：将0.8M的2
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甲基咪唑溶于去离子水中得到溶液A，再将0.13M的六水硝酸钴溶于去离子水中得到溶液B，将两种溶液混合均匀，继续加入100mL一定摩尔量的二水钨酸钠溶液搅拌均匀，缓慢滴加100mL的0.1M的硼氢化钠溶液，静置、离心，在60℃烘箱中干燥得到钨钴/沸石咪唑框架前驱体(WCo
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ZIF)；2)氮掺杂碳包覆碳化钨和钴的制备：将WCo
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ZIF在惰性保护气氛下进行碳化处理，以2～5℃/min升温速率升温至600～800℃反应2小时，得到氮掺杂碳包覆碳化钨和钴(WC
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Co@NC)催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓斌，毛慧敏，吴思琦，迟京起，周贵忠，王磊，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：