本發(fā)明涉及電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化與存儲，具體涉及一種具有納米花結(jié)構(gòu)的co-n-c電催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著全球能源需求的不斷增長和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，開發(fā)高效、穩(wěn)定、低成本的電催化劑成為實現(xiàn)可再生能源轉(zhuǎn)換和存儲的關(guān)鍵。在可充電鋅-空氣電池、電解水、燃料電池等新能源器件中，氧還原（orr）、析氧（oer）和析氫（her）這三個反應(yīng)扮演者非常重要的角色。其中orr和oer是可充電鋅-空氣電池中的兩個關(guān)鍵反應(yīng)，而oer和her是電解水中的核心反應(yīng)。由于這三個反應(yīng)都涉及多電子轉(zhuǎn)移，其緩慢的動力學(xué)導(dǎo)致反應(yīng)時所需過電位偏大。在實際器件應(yīng)用中，可充電鋅-空氣電池的陰極在充放電過程中需要在orr和oer間來回切換，因此需要使用orr/oer雙功能電催化劑；而在電解水器件中，oer/her雙功能電催化劑的使用可以降低成本。因此，開發(fā)orr、oer和her三功能電催化劑對于可充電鋅-空氣電池和電解水的應(yīng)用具有非常重要的意義。

2、高性能電催化劑的研發(fā)與應(yīng)用被視為至關(guān)重要的一環(huán)。orr是鋅空電池陰極上的關(guān)鍵反應(yīng)，它涉及氧氣在催化劑表面的吸附、解離、電子轉(zhuǎn)移和產(chǎn)物脫附等步驟。為了加速這一過程，需要開發(fā)高效的催化劑來降低反應(yīng)的活化能壘，提高反應(yīng)速率。電化學(xué)水分解反應(yīng)，即將水分子在電場作用下分解為氫氣和氧氣，是一個涉及復(fù)雜電化學(xué)過程的反應(yīng)，其效率與能耗直接受到電催化劑性能的影響。高性能電催化劑通過提供高效的反應(yīng)界面，顯著降低反應(yīng)的活化能，加速水分子解離成氫離子和氧離子的過程，從而在提高氫氣產(chǎn)生速率的同時，也極大地減少了能源消耗。因此，研發(fā)具有高活性、高穩(wěn)定性及低成本優(yōu)勢的電催化劑，是當(dāng)前科研領(lǐng)域的一個熱點和難點。

3、隨著納米技術(shù)、表面科學(xué)及計算材料科學(xué)的快速發(fā)展，為高性能電催化劑的設(shè)計與制備開辟了新途徑。例如，通過精細(xì)調(diào)控催化劑的納米結(jié)構(gòu)、引入特定功能基團(tuán)或構(gòu)建異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，可以顯著提升催化劑的催化活性和選擇性。此外，探索新型催化材料，如非貴金屬基催化劑、二維材料、mofs（金屬有機(jī)框架）等，也為實現(xiàn)電催化劑的經(jīng)濟(jì)性和可規(guī)?；瘧?yīng)用提供了可能。

4、現(xiàn)有技術(shù)中報道的三功能電催化劑包括非貴金屬和貴金屬基催化劑。非貴金屬基中三功能電催化劑非常少，而且報道的非貴金屬基三功能電催化劑活性和穩(wěn)定性依舊欠缺。而目前報道的貴金屬基三功能電催化劑主要基于ptco/ir、rhcu等體系，價格非常昂貴。ru基體系與pt/pd/ir/rh等體系相比具有成本低的優(yōu)勢，但是目前ru基體系作為三功能電催化劑性能依舊非常受限，因此尋找開發(fā)新型的三功能催化劑仍是一項非常困難的工作。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中三功能催化劑活性較低的問題，本發(fā)明提供一種具有納米花結(jié)構(gòu)的co-n-c電催化劑及其制備方法和應(yīng)用，所述co-n-c電催化劑是一種高效的三功能電催化劑。所述電催化劑能夠同時實現(xiàn)電化學(xué)析氫反應(yīng)（her）、析氧反應(yīng)（oer）和氧還原反應(yīng)（orr），顯著提升能源轉(zhuǎn)換效率。

2、本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、一種co-n-c電催化劑，所述電催化劑具有納米花結(jié)構(gòu)，所述co-n-c電催化劑利用sba-15為模版通過煅燒制備而成。

4、所述co-n-c電催化劑的制備方法，包括如下步驟：

5、s1、稱取sba-15和硝酸鈷溶解于乙醇中，并用氫氧化鉀調(diào)節(jié)溶液ph=8，把上述溶液在60℃下進(jìn)行蒸干；

6、s2、將上述蒸干的樣品進(jìn)行于管式爐中高溫煅燒后，得到co-n-c電催化劑。

7、進(jìn)一步的，所述sba-15和硝酸鈷的質(zhì)量比為1:3。

8、乙醇的添加量限定為0.5gsba-15對應(yīng)30ml乙醇。

9、進(jìn)一步的，所述高溫煅燒的溫度為600-800℃。

10、進(jìn)一步的，所述sba-15的制備方法，包括以下步驟：

11、稱取6.0gp123（聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物）溶于水中，并用鹽酸進(jìn)行調(diào)節(jié)溶液ph,并將其在40℃條件下保溫3h，然后再加入teos（四乙氧基硅烷，tetraethoxysilane），攪拌24h，再進(jìn)行陳化24h，經(jīng)過過濾、洗滌、干燥步驟后，最后在馬弗爐煅燒，溫度和時間為550℃、8h，得到最終樣品sba-15。

12、本發(fā)明還提供了所述co-n-c電催化劑在電化學(xué)析氫反應(yīng)（her）、析氧反應(yīng)（oer）和氧還原反應(yīng)（orr）中的應(yīng)用。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益技術(shù)效果如下：

14、（1）本申請制備的所述co-n-c電催化劑具有納米花結(jié)構(gòu)，納米花結(jié)構(gòu)提供了更多的活性位點和更好的質(zhì)量傳輸特性。進(jìn)而提高了的材料的電催化性能。

15、（2）所述co-n-c電催化劑合成方法步驟簡單，只需要經(jīng)過水熱反應(yīng)和煅燒，容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

16、（3）所述co-n-c電催化劑作為三功能電催化劑，可以同時用作電解水反應(yīng)中的her和oer反應(yīng)和氧還原反應(yīng)orr，目前尚未發(fā)現(xiàn)任何一種co-n-c電催化劑適合三功能催化反應(yīng)。

技術(shù)特征：

1.一種co-n-c電催化劑，其特征在于：所述電催化劑具有納米花結(jié)構(gòu)；

2.一種如權(quán)利要求1所述的co-n-c電催化劑的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的co-n-c電催化劑的制備方法，其特征在于：所述高溫煅燒的溫度為600-800℃。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的co-n-c電催化劑的制備方法，其特征在于：所述高溫煅燒的溫度為750℃。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的co-n-c電催化劑的制備方法，其特征在于：所述sba-15和硝酸鈷的質(zhì)量比為1:3，乙醇的添加量限定為0.5g?sba-15對應(yīng)30?ml乙醇。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的co-n-c電催化劑的制備方法，其特征在于：所述sba-15的制備方法，包括以下步驟：

7.一種如權(quán)利要求1所述的co-n-c電催化劑的應(yīng)用，其特征在于：所述co-n-c電催化劑作為三功能催化劑在電化學(xué)析氫反應(yīng)her、析氧反應(yīng)oer和氧還原反應(yīng)orr中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化與存儲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有納米花結(jié)構(gòu)的Co?N?C電催化劑的制備方法和應(yīng)用。所述電催化劑具有納米花結(jié)構(gòu)。所述Co?N?C電催化劑利用SBA?15為模版通過煅燒制備而成，所述Co?N?C電催化劑為一種三功能催化劑，可以同時用于電化學(xué)析氫反應(yīng)HER、析氧反應(yīng)OER和氧還原反應(yīng)ORR。

技術(shù)研發(fā)人員：祝彭宇,梁書芹,王鵬遠(yuǎn),朱寶勇,馬恩廣,薛冰,孫建燦,陸峰偉,井立美,李姝欣,李怡穎,潘秋璀
受保護(hù)的技術(shù)使用者：德州學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19