阅读说明：本技术 一种原位缺陷修饰Co9S8-多孔氮掺杂碳电极的制备方法 (Preparation method of in-situ defect modified Co9S 8-porous nitrogen-doped carbon electrode ) 是由 黄妞 闫术芳 杨柳 骆禅 张晗 于 2019-10-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种原位缺陷修饰Co<Sub>9</Sub>S<Sub>8</Sub>-多孔氮掺杂碳电极的制备方法,将钴盐、Tx-100和苯胺等含碳有机物溶于挥发非水溶剂,并加入硫脲作为硫源,获得Co-C-S前躯液；上述前躯液涂布到碳基底上,干燥后先在Ar或N<Sub>2</Sub>气流中退火得到原位硫化钴-碳电极,然后将原位硫化钴电极继续在双氰胺气流下CVD煅烧退火,最终形成原位缺陷修饰Co<Sub>9</Sub>S<Sub>8</Sub>-多孔氮掺杂碳电极。本发明技术方案得到的产品具有设备要求低、所需原料成本低廉、反应条件易于控制、生产工艺简单、所形成的产品一致性好,环境污染小等多个优点,可用于OER和ORR的多功能电催化剂。(The invention provides in-situ defect modified Co 9 S 8 Dissolving carbon-containing organic matters such as cobalt salt, Tx-100, aniline and the like in a volatile non-aqueous solvent, and adding thiourea serving as a sulfur source to obtain a Co-C-S precursor solution; coating the precursor solution on carbon substrate, drying, and adding Ar or N 2 Annealing in airflow to obtain in-situ cobalt sulfide-carbon electrode, and then continuously carrying out CVD calcining annealing on the in-situ cobalt sulfide electrode under dicyandiamide airflow to finally form in-situ defect modified Co 9 S 8 -a porous nitrogen-doped carbon electrode. The product obtained by the technical scheme of the invention has the advantages of low equipment requirement, low cost of required raw materials, easy control of reaction conditions, simple production process, good consistency of the formed product, small environmental pollution and the like, and can be used for preparing the productOER and ORR.)

一种原位缺陷修饰Co9S8-多孔氮掺杂碳电极的制备方法

技术领域

本发明涉及原位电极及其制备，属于能量存储和转换材料与器件领域。

背景技术

为了应对传统能源排放和环境污染的挑战，开发高效的电催化剂对绿色、可持续的储能转化装置的应用起着至关重要的作用。一般的储能转化装置都涉及到两个反应，即OER和ORR,因此开发研究相应催化剂迫在眉睫。过渡金属-氮-碳（M-N-C）或相关催化剂已被证明是最有前景的双功能OER和ORR催化剂。这类催化剂可分为单原子电催化剂、过渡金属基颗粒(包括金属、合金、氧化物、氮化物、硫化物等)和碳材料组成的复合电催化剂。例如，孟等人从ZIF-67/聚苯胺出发制备了Co₄N/ N掺杂的碳纤维杂化物。实验证明，Co₄N粒子与掺氮的碳纤维之间形成的Co-N界面耦合活性中心，对ORR具有良好的电催化能力。利用过渡金属基粒子与碳载体之间存在的协同效应，通过对过渡金属基粒子的前驱体和前驱体的变化过程进行精心设计，合成金属硫化物与氮掺杂碳完美结合的复合材料是制备高效催化剂的重点之一。

除了复合催化剂各部分内部的良好结合状态外，它们与导电基材(如泡沫镍、碳纤维纸、碳布)的良好结合状态是它们实现高稳定电催化性能的另一个关键因素。由于使用绝缘高分子粘结剂(例如电解质)粉状催化剂基质，相当数量的孔(或孔)和活跃的网站将不可避免地阻塞，因此电催化性能受限，同时加剧了催化剂基质的表面。若将多孔电催化剂原位生长在作为工作电极的基底上，可以避开上述问题，促进活性位点的电荷转移、质量扩散和可达性，实现高效运行。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种通过后处理得到原位缺陷修饰Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极的制备方法，该方法具有设备要求低、所需原料成本低廉、反应条件易于控制、生产工艺简单、所形成的产品一致性好，环境污染小等优点，可用于吸附、催化和电能存储等领域，对于原位电极的批量生产有重大意义。

为此，本发明提供了一种以Co-C-S为前驱液，涂布在基底上成膜后，在惰性气体中退火得到原位硫化钴-碳多孔碳膜的复合原位电极，然后再在双氰胺气流下CVD煅烧退火制备出原位缺陷修饰Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极的方法，包括如下步骤：

第一步、在室温搅拌条件下，将钴盐、Tx-100和苯胺或其他有机物溶于N,N-二甲基甲酰胺等极性易挥发溶剂，加入硫脲作为硫源，获得Co-C-S前躯液，其中Co原子的浓度为200~900 mM，Tx-100和苯胺与非水溶剂的体积比为0.03~2，Tx-100与苯胺的体积比为50~5，所述的挥发非水溶剂包括乙醇、N, N-二甲基甲酰胺。该步骤的意义在于：前驱液内Tx-100和苯胺不仅可以提供碳元素，而且具有一定粘性，易于涂布且可以增加负载量；反应试剂均匀分散，获得均匀混合的前躯液为制备均匀的原位缺陷修饰Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极打下良好基础；以硫脲作为硫源可有效减少空气污染，安全可控易操作。

第二步、将上述前躯液滴涂或旋涂到基底上，如碳纸、碳布、泡沫铜或泡沫镍中的任意一种，于空气或真空中加热至70~100℃快速干燥，该步骤的意义在于：N,N-二甲基甲酰胺快速挥发后留下由Co盐、Tx-100、聚苯胺和硫脲均匀混合的前驱膜层，保证后续高温退火反应后仍获得均匀的含硫化钴的多孔碳膜。

第三步、将步骤二中前驱膜于Ar气流中或N₂气流中，经600~1000℃烧结30 min~4h，随炉冷却取出即可得到钼钴硫化物的多孔碳膜的复合原位电极。

第四步、将步骤三所得含硫化钴的多孔碳膜复合原位电极双氰胺中于400~700℃反应0.5~3小时，得到原位缺陷修饰Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极。

所述的双氰胺，其使用量与金属钴原子的质量比为5~1。

原位缺陷修饰Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极是在CFP衬底上采用易操作的方法原位生长了Co₉S₈与多孔碳的复合材料，该复合材料涉及前驱体组成的调控，并在Ar气氛下进行分解。其次，研究了一种后处理方法，即利用双氰胺分解气体进一步调制一步制得的催化剂。结果表明，双氰胺的加入使Co₉S₈的平均粒径大大减小，Co-N和吡啶-N的比例急剧上升，碳组分的缺陷程度明显增加。

附图说明

图1实施例1所制备的Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极的XRD。

图2实施例1所制备的Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极的SEM，(a)图到(c)图放大倍数依次增大。

图3为实施例1所制备的Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极或对比样的线性扫描伏安，其中，(a)为实施例1所制备电极的OER的线性扫描伏安曲线，(b)为实施例1所制备电极的ORR的线性扫描伏安曲线， (c)为实施例1的对比样所制备电极的OER的线性扫描伏安曲线，(d)为实施例1的对比样所制备电极的ORR的线性扫描伏安曲线。

图4实施例1所制备的Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极的稳定性(a)为用计时点位法所测的长时间的OER稳定性曲线，(b)图为稳定性测试前后的OER的线性扫描伏安曲线。

图5实施例1所制备的Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极的Zn-空气电池循环稳定性。

图6 实施例2所制备的Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极的线性扫描伏安图。

图7 实施例3所制备的Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极的线性扫描伏安图。

图8实施例4所制备的Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极的线性扫描伏安图。

具体实施方式

发明实施例中OER、ORR性能LSV测试方法为：以原位Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极为工作电极、以碳棒为对电极、以饱和Hg/HgO电极为参比电极，所用电解质为: 1 M KOH水溶液，扫描速度为5 mV/s。OER和ORR测试中通入氧气，使氧气在KOH水溶液中自然饱和，在测试过程中圆盘电极的转速为1600 r.p.m。

实施例1：

在室温下，将氯化钴·六水、Tx-100、苯胺以及硫脲溶于2.7 mLN,N-二甲基甲酰胺溶液，氯化钴·六水的浓度为400 mM，Tx-100的量为0.3mL，苯胺的量为0.03 mL，硫脲的浓度为1000mM。将碳纸浸泡该前躯液30min后取出，于热台上80℃干燥10 min后再将前驱液均匀滴涂在碳纸上，然后继续干燥30min。将有涂层的基底放入管式炉，在Ar气流下600℃反应1h后继续升温至900℃反应30min，自然冷却后取出得到硫化钴-多孔碳。随后，将上述硫化钴-多孔碳在1g双氰胺中600℃反应1 h，自然冷却后取出得到原位缺陷修饰Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极。

图1为实施例1所制备的Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极的XRD图。对比发现该电极含有2H石墨相(PDF# 41-1487)，主要来自CFP基板，部分来自Tx-100衍生的碳。当扣除2H石墨相的衍射峰时，Co₉S₈-NC的残余峰都可以很好地与立方Co₉S₈对应(PDF#19-0364，用五角星标记)。

图2为实施例1所制备的Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极的SEM图，大量纳米粒子均匀地嵌入到CFP衬底表面原位合成的Tx-100衍生碳基体中，形成了缺陷修饰的Co₉S₈-多孔氮掺杂碳原位电极。

图3为实施例1所制备的电极OER、ORR线性扫描伏安（LSV）图。由(a)图可知当电极通过的电流密度为10 mA/cm²时，1 M KOH水溶液中OER反应产氧所需的过电位为η₁₀ = 280mV，(b)图中1M KOH碱性水溶液中ORR反应对应的半波电位为E_1/2 = 0.86 V，极限电流密度能达到~6.5 mA/cm²，ΔE = E₁₀ - E_1/2 = 0.64 V。

作为对比，用实施例1同样的方法，仅仅不经过双氰胺后处理制得的硫化钴-多孔碳原位电极在同样的测试条件下，测的了OER、ORR线性扫描伏安（LSV）图。如图3（c，d）。由(c)图可知当电极通过的电流密度为10 mA/cm²时，1 M KOH水溶液中OER反应产氧所需的过电位为η₁₀ = 320 mV，(b)图中1M KOH碱性水溶液中ORR反应没有明显的半波电位和极限电流密度。催化性能明显差于由实施例1所制备的Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极。

图4为实施例1所制备的电极的OER稳定性图。由（a）图知，该电极在26 h，30 mA/cm²恒电流稳定性测试过程中，OER反应所需电位基本保持不变；由（b）图可以看出，26小时恒电流稳定性测试后的，该电极的LSV性能曲线与稳定性测试前基本重合，说明稳定性良好。

图5为实施例1所制备电极组装的Zn-空气电池循环稳定性图。在电流密度为5 （mAcm^-2），循环周期为20 min的电池电流充放电循环曲线，可以看出，电池在长时间的充放电后，充电电压与放电电压基本保持不变，稳定性良好。

实施例2：

在室温下，将氯化钴·六水、Tx-100、苯胺以及硫脲溶于2.5 mLN,N-二甲基甲酰胺溶液，氯化钴·六水的浓度为400 mM，Tx-100的量为0.5 mL，苯胺的量为0.05 mL，硫脲的浓度为1000mM。将碳纸浸泡该前躯液30min后取出，于热台上80℃干燥10 min后再将前驱液均匀滴涂在碳纸上，然后继续干燥30min。将有涂层的基底放入管式炉，在Ar气流下600℃反应1h后继续升温至900℃反应30 min，自然冷却后取出得到硫化钴-多孔碳。随后，将上述硫化钴-多孔碳在1g双氰胺中500℃反应1 h，自然冷却后取出得到原位缺陷修饰Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极。

图6为实施例2所制备的Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极的OER~ORR的线性扫描伏安（LSV）图。由图可知当电极通过的电流密度为10 mA/cm²时，1M KOH碱性水溶液中OER反应产氧所需的过电位为η₁₀ = 240 mV，(b)图为1 M KOH水溶液中ORR反应对应的半波电位为E_1/2 =0.78 V，极限电流密度能达到~6.5 mA/cm²，ΔE = E₁₀ - E_1/2 = 0.71V。

实施例3：

在室温下，将氯化钴·六水、Tx-100、苯胺以及硫脲溶于2.0 mLN,N-二甲基甲酰胺溶液，氯化钴·六水的浓度为400 mM，Tx-100的量为1 mL，苯胺的量为0.03 mL，硫脲的浓度为1000mM。将碳纸浸泡该前躯液30min后取出，于热台上80℃干燥10 min后再将前驱液均匀滴涂在碳纸上，然后继续干燥30min。将有涂层的基底放入管式炉，在Ar气流下600℃反应1 h后继续升温至900℃反应30 min，自然冷却后取出得到硫化钴-多孔碳。随后，将上述硫化钴-多孔碳在1g双氰胺中700℃反应1 h，自然冷却后取出得到原位缺陷修饰Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极。

图7为实施例3所制备的Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极的OER~ORR的线性扫描伏安（LSV）图。由图可知当电极通过的电流密度为10 mA/cm²时，1M KOH碱性水溶液中OER反应产氧所需的过电位为η₁₀ = 270 mV，(b)图中1 M KOH水溶液中ORR反应对应的半波电位为E_1/2 =0.80 V，极限电流密度能达到~7.0 mA/cm²，ΔE = E₁₀ - E_1/2 = 0.70V。

实施例4：

在室温下，将氯化钴·六水、Tx-100、苯胺以及硫脲溶于2.7 mLN,N-二甲基甲酰胺溶液，氯化钴·六水的浓度为400 mM，Tx-100的量为0.3 mL，苯胺的量为0.03 mL，硫脲的浓度为1000mM。将碳纸浸泡该前躯液30min后取出，于热台上80℃干燥10 min后再将前驱液均匀滴涂在碳纸上，然后继续干燥30min。将有涂层的基底放入管式炉，在Ar气流下600℃反应1h后继续升温至900℃反应30 min，自然冷却后取出得到硫化钴-多孔碳。随后，将上述硫化钴-多孔碳在2g双氰胺中600℃反应1 h，自然冷却后取出得到原位缺陷修饰Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极。

图8为实施例4所制备的Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极的OER~ORR的线性扫描伏安（LSV）图。由图可知当电极通过的电流密度为10 mA/cm²时，1M KOH碱性水溶液中OER反应产氧所需的过电位为η₁₀ = 220 mV，(b)图中1 M KOH水溶液中ORR反应对应的半波电位为E_1/2 =0.83 V，极限电流密度能达到~5.2 mA/cm²，ΔE = E₁₀ - E_1/2 = 0.62V。

实施例5：

在室温下，将氯化钴·六水、Tx-100以及硫脲溶于2.5 mLN,N-二甲基甲酰胺溶液，氯化钴·六水的浓度为400 mM，Tx-100的量为0.5 mL，硫脲的浓度为1000mM。将碳纸浸泡该前躯液30min后取出，于热台上80℃干燥10 min后再将前驱液均匀滴涂在碳纸上，然后继续干燥30min。将有涂层的基底放入管式炉，在Ar气流下600℃反应1 h后继续升温至900℃反应30min，自然冷却后取出得到硫化钴-多孔碳。随后，将上述硫化钴-多孔碳在0.5g双氰胺中600℃反应1 h，自然冷却后取出得到原位缺陷修饰Co₉S₈-多孔氮掺杂碳电极。