CN108417845A - 一种含钴和镍的多孔碳复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种含钴和镍的多孔碳复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108417845A
CN108417845A CN201810185840.8A CN201810185840A CN108417845A CN 108417845 A CN108417845 A CN 108417845A CN 201810185840 A CN201810185840 A CN 201810185840A CN 108417845 A CN108417845 A CN 108417845A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nickel
cobalt
preparation
porous carbon
carbon composite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810185840.8A
Other languages
English (en)
Inventor
韩生
陈静
韦焕明
蔺华林
陈海军
薛原
邱丰
余焓
李原婷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Technology
Original Assignee
Shanghai Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Technology filed Critical Shanghai Institute of Technology
Priority to CN201810185840.8A priority Critical patent/CN108417845A/zh
Publication of CN108417845A publication Critical patent/CN108417845A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9041—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9075—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/9083—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

本发明公开了一种含钴和镍的多孔碳复合材料及其制备方法。本发明的方法具体步骤如下：(1)首先将碳源与含钴化合物以及含镍化合物按比例溶于水中搅拌，然后减压蒸馏、真空干燥箱干燥，得到前驱体；(2)将前驱体在惰性气氛下，600℃‑900℃的温度下进行高温炭化；(3)将炭化后样品依次用水洗涤、干燥，得到含钴和镍的多孔碳复合材料。本发明制备方法简单，环境友好、便于大规模生产。本发明制备的含金属多孔碳复合材料含有合适比例的金属元素含量，高的比表面积和均一的孔径分布，在工业催化、电化学储能等领域具有良好的应用前景。

Description

一种含钴和镍的多孔碳复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于无机纳米材料和电化学技术领域，涉及一种含钴和镍的多孔碳复合材料及其制备方法。
背景技术
多孔碳材料由于具有的独特性质，合成原料丰富且容易获取，因此在现代科学中存在普遍的应用。多孔碳材料是指以碳作为基本骨架，并具有不同孔隙结构的一类材料。多孔碳材料具有化学稳定性高、耐酸碱、耐高温、导电、导热等一系列特点，这类材料通常具有发达的孔隙、高的比表面积、高的化学稳定性、优良的耐热、耐酸碱及独特的电子传导性质，是现代工业中不可缺少的重要材料之一，广泛应用于电极材料(如燃料电池、超级电容器等)、吸附材料、储能材料和催化剂载体等。
近年来，为了进一步改善多孔碳材料在这些方面的应用，通常将杂原子或含杂原子的基团掺杂到多孔碳材料的表面或结构中，使多孔碳材料的各方面的性能得到改进和提高。金属元素的高活性、良好的催化性能引起了人们的注意。如铂基催化剂，在电化学和氧还原工业催化中已得到广泛应用，但其成本昂贵、催化效率低、稳定性差等原因，致使研究和开发低贵金属催化剂应用成为相关领域新的发展方向。近年来，金属活性物质材料的研究逐渐取得了较大进展，主要为Fe、Co等金属元素的复合材料。目前，用于金属多孔碳复合材料合成的方法有很多，包括模板法、高温煅烧法、化学气相沉积法、水热合成法等，其中高温煅烧法方便快捷。尽管通过低贵金属和碳材料复合可得到较为理想的催化活性材料，但也存在着很多的问题，如制备过程能耗大，催化活性低于全贵金属材料。
因此，如何简单且有效地制备出性能良好的金属多孔碳复合材料是目前仍需努力解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种环境友好、制备方法简单，便于大规模生产，活性高的含钴和镍的多孔碳复合材料及其制备方法。其用于工业催化，具有较高的催化活性和较长的使用寿命。在电化学应用方面，为充放电过程提供更多的活性位点，大大优化电化学性能。
本发明的技术方案具体介绍如下。
本发明提供一种含钴和镍的多孔碳复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)首先将碳源与含钴化合物以及含镍化合物按比例溶于水中搅拌，然后减压蒸馏除去体系中水份、真空干燥箱干燥，得到前驱体；
(2)将前驱体在惰性气氛下，600℃-900℃的温度下进行高温炭化；
(3)将炭化后样品依次用水洗涤、干燥，得到含钴和镍的多孔碳复合材料。
上述步骤(1)中，含钴化合物、含镍化合物以及碳源的质量比为1:1：(1～4)。
上述步骤(1)中，碳源为聚乙烯吡咯烷酮，含钴化合物为六水合氯化钴，含镍化合物为六水合氯化镍。
上述步骤(1)中，搅拌时间为6～8小时，使其充分混合，离子间发生交联作用。
上述步骤(2)中，惰性气体为氮气或氩气，炭化时间为3-6小时。
上述步骤(3)中，炭化后样品用水洗涤，以除去无机盐等杂质。
本发明还提供一种上述的制备方法得到的含钴和镍的多孔碳复合材料。优选的，其比表面积在203-243.7m2/g之间，材料中的钴、镍的质量含量分别为2.3～5.1％。
和现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明直接通过高温碳化方法制备钴镍多孔碳复合材料，金属复合与材料炭化一步到位，方法简便。
2、本发明的方法制备出的多孔碳材料具有高的比表面积，孔径分布合适，呈现出典型的多级孔碳特征，并含有合适量的钴镍金属元素，在吸附、超级电容器、催化和燃料电池等领域具有广泛的应用前景。比如在超级电容器方面。众多研究表明不仅多孔结构能提供超高的比表面积，从而提高电双层电容；而且金属元素可以发生法拉第氧化还原反应，从而引入高赝电容，提高碳材料的容量。在经济化应用中，其低廉的价格解决了现有工业运用的高成本问题。
附图说明
图1是实施例1得到钴镍多孔碳复合材料的氮气吸附-脱附曲线图。
图2是实施例1得到钴镍多孔碳复合材料的平均孔径分布图。
图3是实施例1得到钴镍多孔碳复合材料的电化学充放电图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
实施例1
一种钴镍多孔碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：首先将六水合氯化钴、六水合氯化镍与聚乙烯吡咯烷酮按1:1:1比例(质量比)混合，搅拌7小时，然后减压蒸馏快速除去大部分水分，之后置于真空干燥箱干燥。在氮气气氛保护下，800℃炭化2小时。自然冷却后，用去离子水洗涤pH至中性，干燥得到钴镍多孔碳复合材料。用贝士德3H-2000PM2高性能比表面及微孔径分析仪测试其氮气吸脱附性能，得到该碳材料的比表面积为203m2/g。经由XPS测试，钴、镍元素顺利掺杂进该材料，材料中的钴、镍的质量含量分别为2.3％和3.1％。图1是实施例1得到钴镍多孔碳复合材料的氮气吸附-脱附曲线图。通过该曲线经由BET计算，得出其比表面积。图2是实施例1得到钴镍多孔碳复合材料的平均孔径分布图，孔径分布均一。从图中可以看出，孔径主要分布在3nm附近。图3是实施例1得到钴镍多孔碳复合材料的电化学充放电性能图，通过公式C＝IΔt/(mV)可计算出该材料在1A/g电流密度下的电化学容量为600F g-1.
实施例2
一种钴镍多孔碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：首先将六水合氯化钴、六水合氯化镍与聚乙烯吡咯烷酮按1:1:2比例(质量比)混合，搅拌8小时，然后减压蒸馏快速除去大部分水分，，之后置于真空干燥箱干燥。在氮气气氛保护下，800℃炭化2小时。自然冷却后，用去离子水洗涤pH至中性，干燥得到钴镍多孔碳复合材料。该碳材料的比表面积为243.7m2/g。材料中的钴、镍的质量含量分别为3.2％和3.8％。图1是实施例2得到的含氮微孔碳材料的氮气吸脱附曲线。
实施例3
一种钴镍多孔碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：首先将六水合氯化钴、六水合氯化镍与聚乙烯吡咯烷酮按1:1:3比例(质量比)混合，搅拌6小时，然后减压蒸馏快速除去大部分水分，，之后置于真空干燥箱干燥。在氮气气氛保护下，800℃炭化2小时。自然冷却后，用去离子水洗涤pH至中性，干燥得到钴镍多孔碳复合材料。该碳材料的比表面积为221m2/g。材料中的钴、镍的质量含量分别为3.9％和4.1％。
实施例4
一种钴镍多孔碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：首先将六水合氯化钴、六水合氯化镍与聚乙烯吡咯烷酮按1:1:4比例(质量比)混合，搅拌6～8小时，然后减压蒸馏快速除去大部分水分，，之后置于真空干燥箱干燥。在氮气气氛保护下，800℃炭化2小时。自然冷却后，用去离子水洗涤pH至中性，干燥得到钴镍多孔碳复合材料。该碳材料的比表面积为201m2/g。材料中的钴、镍的质量含量分别为4.5％和5.1％。
实施例5
一种钴镍多孔碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：首先将六水合氯化钴、六水合氯化镍与聚乙烯吡咯烷酮按1:1:2比例(质量比)混合，搅拌6～8小时，然后减压蒸馏快速除去大部分水分，，之后置于真空干燥箱干燥。在氮气气氛保护下，600℃炭化2小时。自然冷却后，用去离子水洗涤pH至中性，干燥得到钴镍多孔碳复合材料。该碳材料的比表面积为212m2/g。材料中的钴、镍的质量含量分别为3.0％和3.5％。
实施例6
一种钴镍多孔碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：首先将六水合氯化钴、六水合氯化镍与聚乙烯吡咯烷酮按1:1:2比例(质量比)混合，搅拌6～8小时，然后减压蒸馏快速除去大部分水分，，之后置于真空干燥箱干燥。在氮气气氛保护下，900℃炭化2小时。自然冷却后，用去离子水洗涤pH至中性，干燥得到钴镍多孔碳复合材料。该碳材料的比表面积为201m2/g。材料中的钴、镍的质量含量分别为2.8％和3.2％。

Claims (8)

1.一种含钴和镍的多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)首先将碳源与含钴化合物以及含镍化合物按比例溶于水中搅拌，然后减压蒸馏除去体系中水份，再真空干燥箱彻底干燥，得到前驱体；
(2)将前驱体在惰性气氛下，600℃-900℃的温度下进行高温炭化；
(3)将炭化后样品洗涤、干燥，得到含钴和镍的多孔碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，含钴化合物、含镍化合物以及碳源的质量比为1:1：(1～4)。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，碳源为聚乙烯吡咯烷酮，含钴化合物为六水合氯化钴，含镍化合物为六水合氯化镍。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，搅拌时间为6～8小时，使其充分混合，离子间发生交联作用。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，惰性气体为氮气或氩气，炭化时间为3-6小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，炭化后样品用水洗涤。
7.一种根据权利要求1～6之一所述的制备方法得到的含钴和镍的多孔碳复合材料。
8.根据权利要求7所述的含钴和镍的多孔碳复合材料，其特征在于，其比表面积在203-245m2/g之间，材料中的钴、镍的质量含量分别为2.3～5.1％。
CN201810185840.8A 2018-03-07 2018-03-07 一种含钴和镍的多孔碳复合材料及其制备方法 Pending CN108417845A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810185840.8A CN108417845A (zh) 2018-03-07 2018-03-07 一种含钴和镍的多孔碳复合材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810185840.8A CN108417845A (zh) 2018-03-07 2018-03-07 一种含钴和镍的多孔碳复合材料及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108417845A true CN108417845A (zh) 2018-08-17

Family

ID=63130240

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810185840.8A Pending CN108417845A (zh) 2018-03-07 2018-03-07 一种含钴和镍的多孔碳复合材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108417845A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109647369A (zh) * 2019-01-15 2019-04-19 浙江师范大学 多孔碳纳米催化剂、制备方法及其应用
CN112449568A (zh) * 2020-12-23 2021-03-05 南昌航空大学 一种制备空心钴镍合金/多孔碳复合吸波材料的方法
CN114229823A (zh) * 2021-12-03 2022-03-25 四川轻化工大学 钴镍催化蜜胺泡沫合成多孔碳的制备及在锂硫电池的应用
CN115028847A (zh) * 2022-05-09 2022-09-09 复旦大学 一种CoNi合金MOF多孔材料及其制备和应用

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101376114A (zh) * 2008-10-09 2009-03-04 大连理工大学 一种金属或金属氧化物/炭复合材料的制备方法
WO2010101936A1 (en) * 2009-03-02 2010-09-10 The Regents Of The University Of California Method for preparing unique composition high performance anode materials for lithium ion batteries
CN102923688A (zh) * 2012-11-01 2013-02-13 中国科学院长春应用化学研究所 一种氮掺杂碳材料的制备方法及其应用

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101376114A (zh) * 2008-10-09 2009-03-04 大连理工大学 一种金属或金属氧化物/炭复合材料的制备方法
WO2010101936A1 (en) * 2009-03-02 2010-09-10 The Regents Of The University Of California Method for preparing unique composition high performance anode materials for lithium ion batteries
CN102923688A (zh) * 2012-11-01 2013-02-13 中国科学院长春应用化学研究所 一种氮掺杂碳材料的制备方法及其应用

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109647369A (zh) * 2019-01-15 2019-04-19 浙江师范大学 多孔碳纳米催化剂、制备方法及其应用
CN109647369B (zh) * 2019-01-15 2022-03-25 浙江师范大学 多孔碳纳米催化剂、制备方法及其应用
CN112449568A (zh) * 2020-12-23 2021-03-05 南昌航空大学 一种制备空心钴镍合金/多孔碳复合吸波材料的方法
CN112449568B (zh) * 2020-12-23 2023-03-14 南昌航空大学 一种制备多孔碳包覆空心钴镍合金复合吸波材料的方法
CN114229823A (zh) * 2021-12-03 2022-03-25 四川轻化工大学 钴镍催化蜜胺泡沫合成多孔碳的制备及在锂硫电池的应用
CN115028847A (zh) * 2022-05-09 2022-09-09 复旦大学 一种CoNi合金MOF多孔材料及其制备和应用
CN115028847B (zh) * 2022-05-09 2024-01-26 复旦大学 一种CoNi合金MOF多孔材料及其制备和应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109012590B (zh) 一种木质素基过渡金属-氮掺杂碳材料及其制备和应用
CN106914265B (zh) 一种以生物质为碳源凝胶法制备氮掺杂多孔纳米碳材料的方法
CN108579788B (zh) 一种复合型钴钒氮化物纳米线电催化剂及其制备方法和应用
Wang et al. Pig bones derived N-doped carbon with multi-level pores as electrocatalyst for oxygen reduction
CN107649160B (zh) 一种石墨烯负载过渡族金属单分散原子催化剂及其制备方法和应用
CN108417845A (zh) 一种含钴和镍的多孔碳复合材料及其制备方法
Maharjan et al. Sal wood sawdust derived highly mesoporous carbon as prospective electrode material for vanadium redox flow batteries
CN110048128A (zh) 一种氮掺杂碳纳米管氧还原电催化剂及其制备方法
Song et al. Chicken bone-derived N-doped porous carbon materials as an oxygen reduction electrocatalyst
CN110117009B (zh) 一种铁氮共掺杂磁性多孔石墨化纳米碳气凝胶的制备方法
CN110289425B (zh) 一种双壳型中空多孔富氮碳材料及其制备方法和用途
CN108315758B (zh) 一种电解水产氢催化剂及其制备方法
CN111992228A (zh) 一种二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂及其制备和应用
CN112652780B (zh) 一种Fe/Fe3C纳米颗粒负载多孔氮掺杂碳基氧还原催化剂的制备方法
CN108336374B (zh) 一种高性能三元Fe-Co-Ni共掺杂含氮碳材料及其制备方法和应用
Sui et al. Nitrogen-doped graphene aerogel with an open structure assisted by in-situ hydrothermal restructuring of ZIF-8 as excellent Pt catalyst support for methanol electro-oxidation
CN113881965B (zh) 一种以生物质碳源为模板负载金属纳米颗粒催化剂及其制备方法和应用
Gu et al. In-situ synthesis of novel nanostructured Pb@ C composites for improving the performance of lead-acid batteries under high-rate partial-state-of-charge operation
Pi et al. Hierarchical porous activated carbon in OER with high efficiency
CN110801855A (zh) 一种过渡金属和氮共掺杂碳材料的制备方法和应用
CN109603873A (zh) 一种以废弃柚子皮为碳源的Fe-N-C催化剂及其制备方法和应用
CN104645989A (zh) 一种杂原子掺杂多孔炭材料及其制备方法
Miao et al. A bio-inspired N-doped porous carbon electrocatalyst with hierarchical superstructure for efficient oxygen reduction reaction
CN113430554B (zh) 一种单原子镍-氮配位共掺杂的多孔碳/纳米氧化锆复合电极、其制备方法和应用
Mao et al. Metal-organic frameworks/carboxyl graphene derived porous carbon as a promising supercapacitor electrode material

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180817