本發明涉及電化學儲能領域,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:
1、雙功能氧催化劑為能夠催化兩個與氧相關的電化學反應的催化劑,其能夠在空氣-電極界面發生緩慢的四電子氧還原反應(orr)和析氧反應(oer)。前一種反應產生優異的功率密度輸出,后一種反應基本呈現穩定的充放電電壓間隙,這是雙功能特性的關鍵指標。迄今為止,貴金屬基電催化劑,如pt/c、iro2和ruo2,被認為是orr和oer的基準。然而,貴金屬基體系的過電位高,整體能量轉換效率低,嚴重限制了電池的商業應用。因此,開發具有最大數量可訪問活性位點的高效耐用雙功能氧催化劑仍然是實現廉價電池的挑戰。
2、有鑒于此,特提出本發明。
技術實現思路
1、本發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,以解決現有技術存在的貴金屬基體系過電位高、能量轉換效率低、商業應用受限的問題。
2、為了實現本發明的上述目的,特采用以下技術方案:
3、第一方面,本發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載在所述石墨碳層上的釕鈷合金納米團簇,所述釕鈷合金納米團簇的尺寸低于8nm。
4、作為進一步優選的技術方案,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、作為進一步優選的技術方案,所述電催化劑比表面積為100-2000m2/g。
6、第二方面,本發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、將石墨棒通過三電極電解槽連續電解,將電解質攪拌后,經離心、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、作為進一步優選的技術方案,s1中,所述電解質為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、對電極和參比電極,所述連續電解包括:循環伏安法測量連續進行70-74?h,掃描電位為1.0?v~2.5?v;所述電解質攪拌包括:在75-85℃下攪拌10-14?h。
10、作為進一步優選的技術方案,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、作為進一步優選的技術方案,所述片層碳材料、所述多巴胺、所述氯化釕、所述硝酸鈷的質量比為(1-1.5):(0.5-1.0):(0.03-1.0):(0.01-1.0)。
12、作為進一步優選的技術方案,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、作為進一步優選的技術方案,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、與現有技術相比,本發明的有益效果為:
16、本發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載在所述石墨碳層上的釕鈷合金納米團簇,所述釕鈷合金納米團簇的尺寸低于8nm,未采用貴金屬,因此大大降低了成本,能夠廣泛應用。并且,該電催化劑的石墨碳層為多孔片狀結構,該結構能有效促進遠距離傳質和活性位點暴露,從而提高固液氣反應界面的形成效率,能量轉換效率更高,采用釕鈷合金納米團簇相對于單原子催化劑來說,催化活性更高且更加穩定。該電催化劑的可逆氧過電位對于oer/orr為0.713?v或更低。
17、對于石墨化碳基材料來說,具有大量大孔和介孔的片狀開放體系仍然很難制造。本發明提供的片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑的制備方法通過電化學剝離的方式制備了具有豐富大孔和介孔的片狀碳材料,制備方法相對簡便,可降低生產成本,提高規模化生產的可行性,并且該方法還可保證電催化劑結構的完整性,易于控制釕鈷合金納米團簇的分布和尺寸。
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載在所述石墨碳層上的釕鈷合金納米團簇,所述釕鈷合金納米團簇的尺寸低于8nm。
2.根據權利要求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.權利要求1-3任一項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.根據權利要求4所述的制備方法,其特征在于,s1中,所述電解質為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、對電極和參比電極,所述連續電解包括:循環伏安法測量連續進行70-74?h,掃描電位為1.0?v~2.5?v;所述電解質攪拌包括:在75-85℃下攪拌10-14?h。
6.根據權利要求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.根據權利要求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、所述硝酸鈷的質量比為(1-1.5):(0.5-1.0):(0.03-1.0):(0.01-1.0)。
8.根據權利要求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.根據權利要求4-8任一項所述的制備方法,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,所述電極上包括權利要求1-3任一項所述的片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑或采用權利要求4-9任一項所述的制備方法得到的片層狀石墨碳基釕鈷電催化劑。