本技术公开了一种MoS<subgt;2</subgt;包覆的多孔M‑N‑C单原子催化剂及其在锂空气电池中的应用,首先通过螯合剂将过渡金属离子螯合并锚定在多孔碳载体上,然后与氮源前驱体混合并煅烧,获得以多孔氮掺杂碳为载体、负载过渡金属单原子M的材料,再通过水热硫化法及高温煅烧包裹层状MoS<subgt;2</subgt;纳米片,获得目标催化剂材料。本发明所得复合材料具有更高的传质效率、在酸性和碱性介质中具有更高的氧还原活性和稳定性,用做锂空气电池催化剂具有较低的过电压、高放电比容量以及优异的循环性能,具有较好的研究前景。
背景技术
电动汽车(EVs)可以减少温室气体排放和石油衍生燃料使用,具有广阔的应用前景。然而,现有电动汽车中普遍采用的锂离子存在能量密度无法满足需求的问题。可充电锂空气电池的性能远超传统的锂离子电池,并且由于其超高的能量密度有希望成为电动车领域的“明日之星”。但是,锂空气电池也面临着诸多挑战,例如循环性能低、过电压高、电解液的不稳定性等问题。在非水系的锂空气电池中,氧化反应(ORR,O2
+2Li+
+2e-
→Li2
O2
)以及氧化还原反应(OER,Li2
O2
→O2
+2Li+
+2e-
)在动力学中扮演着重要角色,但是二者都受到了限制。鉴于以上原因,开发出一种有效的电催化剂对于锂空气电池的发展是迫在眉睫的。
过渡金属单原子氮配位碳基(M-N-C,其中M为Fe、Co、Ni等过渡金属中的一种或两种)材料已被广泛制备,并在电催化应用中展现出较高的催化活性和独特的选择性。现有M-N-C材料多采用MOFs衍生单原子催化剂的制备方法,该方法所得催化剂普遍存在活性位点不稳定的问题。因此,研究新的制备M-N-C材料的工艺具有重要意义。
同时,设计一种既能够限域保护催化剂的活性中心使其保持稳定性、避免脱落及团聚,其本身又具有优异的催化活性、能够与M-N-C产生协同催化作用的保护层也是解决上述问题的有效途径。二硫化钼(MoS2
)是一种典型的过渡金属二维层状化合物,具有类石墨烯的层状结构。其S-Mo-S的“三明治”结构决定了相邻硫原子层之间键能较弱、表面能较低,而S-Mo-S键的结合能很强,边缘的Mo和S原子的键价是不饱和的,具有很多悬空键,呈化学性质不稳定状态,这使得MoS2
晶体的边缘具有很高的表面能。因此,通过合适方式,在M-N-C材料的表面形成MoS2
保护层,并使二者之间构成内置异质结构,是提高M-N-C材料活性位点稳定性与电化学活性的可行方法。
实现思路