本發(fā)明涉及電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域，具體而言，涉及一種片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑及其制備方法、電池。

背景技術(shù)：

1、雙功能氧催化劑為能夠催化兩個(gè)與氧相關(guān)的電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，其能夠在空氣-電極界面發(fā)生緩慢的四電子氧還原反應(yīng)(orr)和析氧反應(yīng)(oer)。前一種反應(yīng)產(chǎn)生優(yōu)異的功率密度輸出，后一種反應(yīng)基本呈現(xiàn)穩(wěn)定的充放電電壓間隙，這是雙功能特性的關(guān)鍵指標(biāo)。迄今為止，貴金屬基電催化劑，如pt/c、iro2和ruo2，被認(rèn)為是orr和oer的基準(zhǔn)。然而，貴金屬基體系的過(guò)電位高，整體能量轉(zhuǎn)換效率低，嚴(yán)重限制了電池的商業(yè)應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)具有最大數(shù)量可訪問(wèn)活性位點(diǎn)的高效耐用雙功能氧催化劑仍然是實(shí)現(xiàn)廉價(jià)電池的挑戰(zhàn)。

2、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑及其制備方法、電池，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的貴金屬基體系過(guò)電位高、能量轉(zhuǎn)換效率低、商業(yè)應(yīng)用受限的問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑，所述電催化劑包括氮摻雜多孔片狀石墨碳層和負(fù)載在所述石墨碳層上的釕鈷合金納米團(tuán)簇，所述釕鈷合金納米團(tuán)簇的尺寸低于8nm。

4、作為進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述電催化劑中釕的含量為3wt%-8wt%，鈷的含量為3wt%-10wt%，氮的含量為1wt%-5wt%，碳的含量為77wt%-93wt%。

5、作為進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述電催化劑比表面積為100-2000m2/g。

6、第二方面，本發(fā)明提供了一種上述片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑的制備方法，包括以下步驟：

7、s1、將石墨棒通過(guò)三電極電解槽連續(xù)電解，將電解質(zhì)攪拌后，經(jīng)離心、洗滌、干燥，得到片層碳材料；

8、s2、將所述片層碳材料與釕源、鈷源和氮源混合攪拌，干燥，在惰性氣氛中焙燒，得到所述電催化劑。

9、作為進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，s1中，所述電解質(zhì)為0.5?m的h2so4水溶液；三電極體系中，石墨棒、碳紙和ag/agcl電極分別作為工作電極、對(duì)電極和參比電極，所述連續(xù)電解包括：循環(huán)伏安法測(cè)量連續(xù)進(jìn)行70-74?h，掃描電位為1.0?v~2.5?v；所述電解質(zhì)攪拌包括：在75-85℃下攪拌10-14?h。

10、作為進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述釕源包括氯化釕，所述鈷源包括硝酸鈷，所述氮源包括多巴胺。

11、作為進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述片層碳材料、所述多巴胺、所述氯化釕、所述硝酸鈷的質(zhì)量比為（1-1.5）:（0.5-1.0）:（0.03-1.0）:（0.01-1.0）。

12、作為進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，s2中，所述混合攪拌包括：將所述片層碳材料、所述多巴胺和tris-hcl混合，攪拌25-35?min；然后加入所述氯化釕和所述硝酸鈷，攪拌45-50h。

13、作為進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，s2中，所述焙燒包括：首先在150-250℃下焙燒1.5-2.5h，然后在850-950℃下焙燒1.5-2.5h。

14、第三方面，本發(fā)明提供了一種電池，包括電極，所述電極上包括上述片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑或采用上述制備方法得到的片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

16、本發(fā)明提供的片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑包括氮摻雜多孔片狀石墨碳層和負(fù)載在所述石墨碳層上的釕鈷合金納米團(tuán)簇，所述釕鈷合金納米團(tuán)簇的尺寸低于8nm，未采用貴金屬，因此大大降低了成本，能夠廣泛應(yīng)用。并且，該電催化劑的石墨碳層為多孔片狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能有效促進(jìn)遠(yuǎn)距離傳質(zhì)和活性位點(diǎn)暴露，從而提高固液氣反應(yīng)界面的形成效率，能量轉(zhuǎn)換效率更高，采用釕鈷合金納米團(tuán)簇相對(duì)于單原子催化劑來(lái)說(shuō)，催化活性更高且更加穩(wěn)定。該電催化劑的可逆氧過(guò)電位對(duì)于oer/orr為0.713?v或更低。

17、對(duì)于石墨化碳基材料來(lái)說(shuō)，具有大量大孔和介孔的片狀開(kāi)放體系仍然很難制造。本發(fā)明提供的片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑的制備方法通過(guò)電化學(xué)剝離的方式制備了具有豐富大孔和介孔的片狀碳材料，制備方法相對(duì)簡(jiǎn)便，可降低生產(chǎn)成本，提高規(guī)?；a(chǎn)的可行性，并且該方法還可保證電催化劑結(jié)構(gòu)的完整性，易于控制釕鈷合金納米團(tuán)簇的分布和尺寸。

技術(shù)特征：

1.一種片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑，其特征在于，所述電催化劑包括氮摻雜多孔片狀石墨碳層和負(fù)載在所述石墨碳層上的釕鈷合金納米團(tuán)簇，所述釕鈷合金納米團(tuán)簇的尺寸低于8nm。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑，其特征在于，所述電催化劑中釕的含量為3wt%-8wt%，鈷的含量為3wt%-10wt%，氮的含量為1wt%-5wt%，碳的含量為77wt%-93wt%。

3.權(quán)利要求1或2所述的片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑，其特征在于，所述電催化劑比表面積為100-2000m2/g。

4.權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，s1中，所述電解質(zhì)為0.5?m的h2so4水溶液；三電極體系中，石墨棒、碳紙和ag/agcl電極分別作為工作電極、對(duì)電極和參比電極，所述連續(xù)電解包括：循環(huán)伏安法測(cè)量連續(xù)進(jìn)行70-74?h，掃描電位為1.0?v~2.5?v；所述電解質(zhì)攪拌包括：在75-85℃下攪拌10-14?h。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述釕源包括氯化釕，所述鈷源包括硝酸鈷，所述氮源包括多巴胺。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述片層碳材料、所述多巴胺、所述氯化釕、所述硝酸鈷的質(zhì)量比為（1-1.5）:（0.5-1.0）:（0.03-1.0）:（0.01-1.0）。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，s2中，所述混合攪拌包括：將所述片層碳材料、所述多巴胺和tris-hcl混合，攪拌25-35?min；然后加入所述氯化釕和所述硝酸鈷，攪拌45-50?h。

9.根據(jù)權(quán)利要求4-8任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，s2中，所述焙燒包括：首先在150-250℃下焙燒1.5-2.5h，然后在850-950℃下焙燒1.5-2.5h。

10.一種電池，其特征在于，包括電極，所述電極上包括權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑或采用權(quán)利要求4-9任一項(xiàng)所述的制備方法得到的片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域，具體而言，提供了一種片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑及其制備方法、電池。所述片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑包括氮摻雜多孔片狀石墨碳層和負(fù)載在所述石墨碳層上的釕鈷合金納米團(tuán)簇，所述釕鈷合金納米團(tuán)簇的尺寸低于8nm。所述制備方法包括以下步驟：S1、將石墨棒通過(guò)三電極電解槽連續(xù)電解，將電解質(zhì)攪拌后，經(jīng)離心、洗滌、干燥，得到片層碳材料；S2、將所述片層碳材料與釕源、鈷源和氮源混合攪拌，干燥，在惰性氣氛中焙燒，得到所述電催化劑。本發(fā)明的催化劑具有過(guò)電位低、能量轉(zhuǎn)換效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：李振國(guó),周冰潔,邵元?jiǎng)P,祝偉康,尹碩堯,任曉寧,李凱祥,董安琪,劉亞濤,劉習(xí)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21