TW202237267A - 觸媒結構、其用途與電化學裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種觸媒結構，其包含一多孔性載體以及複數個層狀氫氧化物。多孔性載體包含一氮摻雜碳骨架、複數個金屬氧化物粒子以及複數個奈米碳管。氮摻雜碳骨架具有複數個孔洞，金屬氧化物粒子均勻地分散於氮摻雜碳骨架之孔洞中，奈米碳管位於氮摻雜碳骨架的表面，且各奈米碳管之一端與氮摻雜碳骨架的表面連接，層狀氫氧化物披覆於氮摻雜碳骨架之表面。藉此，本發明之觸媒結構可大幅提升導電性以及觸媒催化效果，成為多效能的奈米材料，廣泛應用於能源產業上。

Description

觸媒結構、其用途與電化學裝置
本發明是有關於一種觸媒結構、其用途與電化學裝置，且特別是有關於一種將層狀氫氧化物披覆於碳化後之金屬有機骨架的觸媒結構、其用途與電化學裝置。
現今，隨著經濟的發展，能源危機已日益嚴重，且化石燃料的使用帶來的環境問題已經影響人類生存，因此開發和利用綠色及可再生的新型能源變得相當重要，尤其是儲能和製氫的技術受到極大的關注。
儘管可再生的能源具有許多優勢，但用於氧氣還原反應(ORR)、氧氣析出反應(OER)以及氫氣析出反應(HER)的催化劑具有緩慢的動力學，導致在實際的應用中受到了極大的限制。目前研究已指出貴金屬催化劑對於ORR、OER、HER方面表現出良好的活性，但其具有高成本、稀有、穩定性差的缺點，故開發高活性、穩定且價格低的非貴金屬催化劑(如過氧金屬氧化物、過渡金屬化合物等)是非常重要的。
近年來，由過渡金屬組成的無機層狀材料因其d軌道分布和多個電子而導致的金屬陽離子空位(metal cation vacancies)可有效地激發所需的電催化性能，且複合金屬會產生協同作用，故具有作為電催化劑的潛力。然而，過渡金屬之無機層狀材料的過度聚合以及導電度低是目前需解決的問題。
有鑑於此，如何開發出一種具有優異電催化性能的觸媒，且可應用於多種電化學技術上，遂成為相關業者努力的目標。
本發明之一目的是提供一種觸媒結構，其係將金屬有機骨架碳化後，形成含有金屬氧化物粒子及奈米碳管的氮摻雜碳骨架，並將層狀氫氧化物披覆於氮摻雜碳骨架的表面上，可提升觸媒的催化效果。
本發明之另一目的是提供一種觸媒結構之用途，觸媒結構具有優異的導電性及觸媒催化效果，可應用於多種電化學能量轉換反應。
本發明之又一目的是提供一種電化學裝置，包含前述之觸媒結構，其具有優異的導電性及觸媒催化效果，可廣泛地應用於多種電化學裝置。
本發明之一實施方式係在於提供一種觸媒結構，其包含一多孔性載體以及複數個層狀氫氧化物。多孔性載體包含一氮摻雜碳骨架、複數個金屬氧化物粒子以及複數個奈米碳管。氮摻雜碳骨架具有複數個孔洞，金屬氧化物粒子均勻地分散於氮摻雜碳骨架之孔洞中，奈米碳管位於氮摻雜碳骨架的表面，且各奈米碳管之一端與氮摻雜碳骨架的表面連接。層狀氫氧化物披覆於氮摻雜碳骨架之表面。
依據前述實施方式之觸媒結構，其中氮摻雜碳骨架的粒經大小可為100 nm至5 μm。
依據前述實施方式之觸媒結構，其中金屬氧化物粒子可為四氧化三鈷。
依據前述實施方式之觸媒結構，其中各奈米碳管的長度可為10 nm至2 μm。
依據前述實施方式之觸媒結構，其中各奈米碳管的管徑可為1 nm至30 nm。
依據前述實施方式之觸媒結構，其中各層狀氫氧化物的厚度可為0.5 nm至50 nm。
依據前述實施方式之觸媒結構，其中層狀氫氧化物可為鎳-鐵層狀氫氧化物。
依據本發明之另一實施方式係在於提供一種前述的觸媒結構之用途，其係用於催化一電化學能量轉換反應。
依據前述實施方式之觸媒結構之用途，其中電化學能量轉換反應可為氧氣還原反應、氧氣析出反應、氫氣析出反應或二氧化碳還原反應。
依據本發明之又一實施方式係在於提供一種電化學裝置，其包含前述的觸媒結構。
依據前述實施方式之電化學裝置，其中電化學裝置可為鹼性燃料電池、金屬空氣電池或水電解裝置。
藉此，本發明利用碳化後之金屬有機骨架作為載體，並透過共沉澱法將層狀氫氧化物披覆於載體表面，可保留碳化後之金屬有機骨架的原貌，並可增加更多活性位置及降低電荷傳輸路徑，成為多效能的奈米材料，廣泛應用於能源產業上。
下述將更詳細討論本發明各實施方式。然而，此實施方式可為各種發明概念的應用，可被具體實行在各種不同的特定範圍內。特定的實施方式是僅以說明為目的，且不受限於揭露的範圍。
＜觸媒結構＞
請參考第1圖，其係繪示本發明之一實施方式之一種觸媒結構100的部分剖視示意圖。在第1圖中，觸媒結構100包含一多孔性載體110以及複數個層狀氫氧化物120。多孔性載體110包含一氮摻雜碳骨架111、複數個金屬氧化物粒子112以及複數個奈米碳管113，氮摻雜碳骨架111中的碳含量可為50 wt%至90 wt%，氮含量可為1 wt%至20 wt%，且粒經大小可為100 nm至5 μm，並具有複數個孔洞114。金屬氧化物粒子112均勻地分散於氮摻雜碳骨架111之孔洞114中，其含量可為5 wt%至40 wt%，且顆粒大小可為0.5 nm至50 nm。奈米碳管113位於氮摻雜碳骨架111的表面，且各奈米碳管113之一端與氮摻雜碳骨架111的表面連接，其中奈米碳管113的長度可為10 nm至2 μm，管徑可為1 nm至30 nm。層狀氫氧化物120披覆於氮摻雜碳骨架111之表面，其中層狀氫氧化物120的厚度可為0.5 nm至50 nm，且含量可為2 wt%至20 wt%。
詳細來說，本發明之多孔性載體110係由金屬有機骨架(Metal organic frameworks, MOFs)透過惰性環境下的碳化與空氣的再氧化之方法製備而得。常見的金屬有機骨架為沸石咪唑骨架(Zeolitic imidazolate frameworks, ZIF)，其係以咪唑系列的有機配位基與過渡金屬鏈結，形成一種四面體框架結構，故含有碳、氮以及金屬之成分，並具有高表面積、高孔隙結構以及穩定性，且其所衍生的化合物具有可控制的結構，可作為優異的電極材料。
本發明利用含有金屬鋅的ZIF-8結合含有金屬鈷的ZIF-67來作為金屬有機骨架，並經由碳化、氧化及熱處理後，製備出摻有氮、金屬氧化物粒子112及奈米碳管113的碳骨架結構，其中金屬氧化物粒子112可為四氧化三鈷，其係作為觸媒並分散於氮摻雜碳骨架111中，而氮可有效增強碳骨架的催化性能，並提供高密度的活性點，調節碳骨架的電荷密度，奈米碳管113係由於在熱處理過程中，鈷奈米顆粒與碳的相互作用所形成的，其可提升導電性。藉此，本發明之多孔性載體110具有良好的導電性及分散性結構，可使材料具有較多的活性點位置，以利提升觸媒的催化效果。
另外，本發明之層狀氫氧化物120係藉由共沉澱法與熱處理，將層狀氫氧化物前驅液摻入多孔性載體110中，使層狀氫氧化物120披覆於氮摻雜碳骨架111的表面，其不會影響金屬氧化物粒子112於氮摻雜碳骨架111的狀態。舉例來說，本發明之層狀氫氧化物120可為鎳-鐵層狀氫氧化物(NiFe-LDH)，故將陽離子Ni 2+以及Fe 3+作為前驅物引入至多孔性載體110中，並於多孔性載體110的異質位點(heterogeneous sites)生長NiFe-LDH。藉此，NiFe-LDH在多孔性載體110上可增加表面活性點及離子交換率，可大幅提升觸媒的導電性與催化效果，但層狀氫氧化物120的種類不以本發明所揭示內容為限，其可根據不同應用領域選擇不同種類的層狀氫氧化物觸媒。
根據上述，本發明之觸媒結構100藉由多孔的氮摻雜碳骨架111來提升金屬氧化物粒子112的質傳效能，且奈米碳管113的分布可提升碳纖維的石墨化與導電性，而層狀氫氧化物120可提升離子遷移速率。以下，觸媒結構100以NiFe-LDH-CNT-Co 3O 4/NC表示，其中多孔性載體110以CNT-Co 3O 4/NC表示，而層狀氫氧化物120則以NiFe-LDH表示。
＜觸媒結構之用途＞
本發明提供一種前述觸媒結構之用途，其係用於催化一電化學能量轉換反應，其中電化學能量轉換反應可為氧氣還原反應(oxygen reduction reaction, ORR)、氧氣析出反應(oxygen evolution reaction, OER)、氫氣析出反應(hydrogen evolution reaction, HER)或二氧化碳還原反應(CO 2reduction reaction, CO 2RR)。關於ORR、OER、HER以及CO 2RR的反應機制為習知技術，在此不另贅述。
＜電化學裝置＞
本發明提供一種電化學裝置，其包含前述的觸媒結構。詳細來說，當觸媒結構於ORR及OER中有優異的表現時，其所應用之電化學裝置可為金屬空氣電池或鹼性燃料電池，而當觸媒結構於OER及HER中有優異的表現時，其所應用之電化學裝置可為水電解裝置。藉此，本發明之觸媒結構能廣泛地應用於能源產業上。關於金屬空氣電池、鹼性燃料電池以及水電解裝置皆為習知技術，在此不另贅述。
茲以下列具體實施例進一步示範說明本發明，用以有利於本發明所屬技術領域通常知識者，可在不需過度解讀的情形下完整利用並實踐本發明，而不應將這些實施例視為對本發明範圍的限制，但用於說明如何實施本發明的材料及方法。
＜ZIF-67/ZIF-8的合成方法＞
首先，將4.36克的硝酸鈷六水合物(Co(NO 3) 2•6H 2O)和150 mL的甲醇溶劑均勻混合，以製備溶液A。接著，將9.85克的2-甲基咪唑(2-methylimidazole, C 4H 6N 2)溶於150 mL的甲醇溶劑，以製備溶液B，然後將溶液A快速倒入溶液B中，並混合攪拌30分鐘，於室溫下老化12小時，之後以14900 rpm離心並收集固體產物ZIF-67，且將產物ZIF-67置於80 oC下乾燥。
再者，將0.2克的ZIF-67添加至30 mL的甲醇中，並混合10分鐘，以製備溶液C，之後將0.3克的硝酸鋅六水合物(Zn(NO 3) 2•6H 2O)溶於15 mL的甲醇溶劑之溶液以及2-甲基咪唑溶液添加至溶液C中，並攪拌12小時，以14900 rpm離心並收集固體產物ZIF-67/ZIF-8，且將產物ZIF-67/ZIF-8置於80 oC下乾燥。
＜NiFe-LDH-CNT-Co 3O 4/NC的合成方法＞
首先，將所合成之ZIF-67/ZIF-8於氮氣環境下，以800 oC鍛燒5小時，其中升溫速率為2 oC/min，之後進行冷卻，所形成的黑色粉末為CNT-Co/NC。接著，將合成後的CNT-Co/NC置於高溫爐(muffle furnace)，並在空氣的環境下以250 oC進行氧化40分鐘，其中升溫速率為1 oC/min，所得到的產物為CNT-Co 3O 4/NC之多孔性載體。
再者，將重量比為1.789的Fe(NO 3) 2與Ni(NO 3) 2的金屬鹽以及CNT-Co 3O 4/NC添加至氨水中作為共沉澱的前驅物，並鹼性環境下(pH=14)下，以100 oC加熱6小時，攪拌速率為550至850 rpm來沉澱陽離子，使CNT-Co 3O 4/NC表面生長NiFe-LDH，以得到本發明之NiFe-LDH-CNT-Co 3O 4/NC觸媒結構。
＜NiFe-LDH-CNT-Co 3O 4/NC之性質分析＞
請參閱第2A圖、第2B圖以及第3圖，其中第2A圖繪示實施例1的低倍率TEM影像圖，第2B圖繪示實施例1的高倍率TEM影像圖，第3圖繪示實施例1的EDS能量分散光譜圖，其中實施例1為NiFe-LDH-CNT-Co 3O 4/NC觸媒結構。由第2A圖以及第2B圖可看出實施例1之氮摻雜碳骨架為粒徑大小約150 nm至200 nm的3D多孔結構，且Co 3O 4奈米顆粒均勻地分散在氮摻雜碳骨架上，並於氮摻雜碳骨架上生長厚度為1 nm至5 nm的NiFe-LDH。
另外，在第3圖中，C、N、O、Co元素為實施例1之CNT-Co 3O 4/NC的元素，可看出CNT-Co 3O 4/NC之多孔性載體分布於芯部，而Fe以及Ni元素為實施例1之NiFe-LDH的元素，可看出NiFe-LDH披覆於芯部的外側，且利用電感耦合電漿體質譜法(Inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)測得Ni、Fe、Co的重量百分比分別為4.68 wt%、2.63 wt%以及14.04 wt%。由此可見，NiFe-LDH確實披覆於CNT-Co 3O 4/NC中氮摻雜碳骨架的表面，且Fe與Ni的重量比為1.78，符合所製備的量。
請參閱第4圖，其繪示實施例1以及比較例1至比較例2的XRD繞射分析圖，其中比較例1為CNT-Co 3O 4/NC，比較例2為NiFe-LDH。由第4圖的結果可見，比較例1的特徵峰符合立方尖晶石Co 3O 4/NC相(JCPDS card no 43-1003)，比較例2的特徵峰符合水滑石NiFe-LDH相(JCPDS card no 49-0188)，因此在實施例1之特徵峰中，2θ為19 o(111)、31.29 o(220)、36.84 o(311)、38.54 o(222)、44.80 o(400)、55.65 o(422)、59.35 o(511)以及65.23 o(440)處代表CNT-Co 3O 4/NC的晶相，而2θ為11.8 o(003)、23.8 o(006)、34.1 o(101)、34.7 o(012)、35.9 o(009)、37.6 o(104)、39.3 o(015)、47 o(018)以及60.3 o(110)處則代表NiFe-LDH的晶相，可確認實施例1為NiFe-LDH-CNT-Co 3O 4/NC觸媒結構。另外，實施例1之特徵峰的強度增加是由於CNT-Co 3O 4/NC與NiFe-LDH之間優異的偶聯作用(coupling interaction)，且2θ在34.1 o(101)處時，其為NiCOOH晶相，而在37.6 o(104)處時，其為α-Fe 2O 3晶相，上述兩處的特徵峰的峰強度較小，表示在NiFe-LDH-CNT-Co 3O 4/NC觸媒結構中，NiFe-LDH為高純相的LDH層。
請參閱第5圖，其繪示實施例1以及比較例1的氮氣等溫吸/脫附曲線圖，且從等溫吸/脫附曲線可以計算實施例1以及比較例1的比表面積(S BET)以及孔徑(d p)，如下表一所示。由表一的結果可見，實施例1的比表面積小於比較例1，但實施例1提供較大的孔徑，故透過NiFe-LDH披覆於CNT-Co 3O 4/NC，會使CNT-Co 3O 4/NC的比表面積減小，從而形成的NiFe-LDH-CNT-Co 3O 4/NC具有多種促進離子轉移和增強電解質與電極之間的接觸面積的方式，來提高電化學性能。
表一
  S BET(m 2/g) d p(nm)
實施例1 393.99 7.785
比較例1 436.03 3.1099
＜ORR量測＞
本發明之ORR量測係於飽和O 2溶液條件下，將實施例1以及比較例1至比較例4的觸媒作為工作電極(working electrode)並放置於旋轉環盤電極(Rotating ring disk electrode, RRDE)上，以0.1 M的氫氧化鉀(KOH)作為電解液，轉速為1600 rpm，掃描速率為5 mV/s，進行線性掃描伏安測試(Linear sweep voltage, LSV)，其中，比較例3為20 wt%的Pt/C，比較例4為CNT-Co/NC。
請參閱第6圖，其係繪示實施例1以及比較例1至比較例4的ORR線性掃描伏安圖，其中橫軸為相對於可逆氫電極(Reversible hydrogen electrode, RHE)的電位(V)，並將實施例1以及貴金屬之比較例3的起始電位(onset potential)、半波電位(half-wave potential)以及極限電流(limited current density)列於下表二。由第6圖以及表二的結果可見，實施例1的半波電位為0.84 V，其高於貴金屬之比較例3的半波電位，即表示實施例1之氧氣還原活性較高。另外，根據實施例1以及比較例1之半波電位，可發現CNT-Co 3O 4/NC披覆NiFe-LDH後，半波電位顯著增加，可說明NiFe-LDH對離子電導率具有影響。此外，實施例1與比較例3的極限電流皆為最高，但實施例1的塔弗斜率(Tafel slope)為26 mv/dec遠低於比較例3的130 mv/dec，Tafel slope越低則代表對ORR具有優異的催化活性，故可說明本發明之實施例1具有較佳的氧氣還原催化活性。
表二
  實施例1 比較例3
起始電位 (V) 0.884 0.982
半波電位 (V) 0.84 0.80
極限電流 (mA/cm 2) 4.93 4.93
請參閱第7圖，其係繪示實施例1、比較例1、比較例3和比較例4的電子轉移數以及過氧化氫產率與電位關係圖，其中電子轉移數(Electron transfer number, n)越大，代表觸媒使氧進行還原的效率越好，而中間產物過氧化氫產率(HO 2 ˉ)越高，則代表在氧化還原過程中並沒有進行四個電子轉移的反應產生水，而是在過程中產生HO 2 ˉ，故還原效果不佳。由第7圖的結果可見，實施例1、比較例1、比較例3和比較例4的電子轉移數皆約為3.97至3.99，接近四個電子傳移的理論電子轉移數，而實施例1的過氧化氫產率較低，可說明本發明之實施例1具有較佳的氧氣還原催化活性。
＜OER量測＞
本發明之OER量測係於飽和O 2溶液條件下，將實施例1、比較例1、比較例2、比較例4和比較例5的觸媒放入電解槽並作為工作電極，以0.1 M的氫氧化鉀(KOH)作為電解液，掃描速率為5 mV/s，進行線性掃描伏安測試。
請參閱第8圖以及第9圖，其中第8圖繪示實施例1、比較例1、比較例2、比較例4和比較例5的OER線性掃描伏安圖，第9圖繪示實施例1、比較例1、比較例2、比較例4和比較例5的起始電位(E j=onset potential)、電流密度為10 mA/cm 2(E j=10 mA/cm²)及20 mA/cm 2(E j=20 mA/cm²)時之電位的直方圖，其中比較例5為市售的RuO 2。由第8圖以及第9圖的結果可見，實施例1具有最低的起始電位，且當電流密度為10 mA/cm 2及20 mA/cm 2時，具有最低的過電位，明顯優於比較例1、比較例2、比較例4和比較例5，而比較例1及比較例2的OER表現相當，但是在兩者摻雜後，發生了協同作用，可說明披覆NiFe-LDH後提高了離子電導率，從而有效降低其過電位，使實施例1具有優異的催化性能。另外，實施例1的Tafel slope為136 mv/dec，其低於比較例1、比較例2、比較例4和比較例5的Tafel slop，代表實施例1發生了快速的OER催化過程，故可說明本發明之實施例1具有較佳的氧氣析出催化活性。
請參閱第10圖，其係繪示實施例1、比較例1至比較例3以及比較例5至比較例6的ORR與OER線性掃描伏安圖，其中比較例6為20 wt%的Ir/C。由第10圖的結果可見，實施例1在OER和ORR之間的電位差(ΔE)為0.78 V，遠小於比較例1至比較例3以及比較例5至比較例6的電位差，而ΔE係由電流密度為-0.25 mA/cm 2與10 mA/cm 2之間的電位差所得，可用於估計雙功能氧電極催化劑的有效性，優異的雙功能催化劑具有較小的ΔE值，故可說明本發明之實施例1對於ORR及OER皆具有較佳的催化活性，為優異的雙功能催化劑。
＜HER量測＞
本發明之HER量測係於飽和H 2溶液條件下，將實施例1以及比較例1至比較例3的觸媒放入電解槽並作為工作電極，以1 M的氫氧化鉀(KOH)作為電解液，掃描速率為5 mV/s，進行線性掃描伏安測試。
請參閱第11圖，其係繪示實施例1以及比較例1至比較例3的HER線性掃描伏安圖。由第11圖的結果可見，實施例1在HER的表現優於比較例1以及比較例2，且在電流密度為40 mA/cm 2時，實施例1的HER表現已優於比較例3，並由Tafel slop可知，實施例1具有較小的Tafel slope，其為110 mv/dec，故可說明本發明之實施例1具有較佳的氫氣析出催化活性。
＜CO 2RR量測＞
本發明之CO 2RR量測係於飽和CO 2溶液條件下，將實施例1的觸媒放入電解槽並作為工作電極，以0.5 M的碳酸氫鉀(KHCO 3)作為電解液，掃描速率為5 mV/s，進行線性掃描伏安測試。
請參閱第12圖，其係繪示實施例1的CO 2RR線性掃描伏安圖，並由第12圖的結果可見，實施例1在電流密度為10 mA/cm 2的電位為-0.76 V，而貴金屬之比較例3於CO 2RR反應中則未有較佳的效果，故可說明本發明之實施例1具有較佳的二氧化碳還原催化活性。
綜上所述，本發明之觸媒結構的優點如下。其一，氮摻雜碳骨架具有多孔結構，可提升金屬氧化物觸媒的質傳效能，使觸媒結構具有較多的活性點位置，增加觸媒的催化效果。其二，奈米碳管分布於氮摻雜碳骨架的表面上，可提升導電性。其三，層狀氫氧化物披覆於氮摻雜碳骨架的表面，可提升離子遷移速率。藉此，本發明之觸媒結構在氧氣還原反應、氧氣析出反應、氫氣析出反應及二氧化碳還原反應中皆有優於傳統貴金屬的催化效果，能夠成為多效能的奈米材料，並可廣泛應用於能源產業上。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:觸媒結構 110:多孔性載體 111:氮摻雜碳骨架 112:金屬氧化物粒子 113:奈米碳管 114:孔洞 120:層狀氫氧化物
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖係繪示本發明之一實施方式之一種觸媒結構的部分剖視示意圖； 第2A圖係繪示為實施例1的低倍率TEM影像圖； 第2B圖係繪示為實施例1的高倍率TEM影像圖； 第3圖係繪示為實施例1的EDS能量分散光譜圖； 第4圖係繪示實施例1以及比較例1至比較例2的XRD繞射分析圖； 第5圖係繪示實施例1以及比較例1的氮氣等溫吸/脫附曲線圖； 第6圖係繪示實施例1以及比較例1至比較例4的ORR線性掃描伏安圖； 第7圖係繪示實施例1、比較例1、比較例3和比較例4的電子轉移數以及過氧化氫產率與電位關係圖； 第8圖係繪示實施例1、比較例1、比較例2、比較例4和比較例5的OER線性掃描伏安圖； 第9圖係繪示實施例1、比較例1、比較例2、比較例4和比較例5的起始電位、電流密度為10 mA/cm 2及20 mA/cm 2時之電位的直方圖； 第10圖係繪示實施例1、比較例1至比較例3以及比較例5至比較例6的ORR與OER線性掃描伏安圖； 第11圖係繪示實施例1以及比較例1至比較例3的HER線性掃描伏安圖；以及 第12圖係繪示實施例1的CO 2RR線性掃描伏安圖。
100:觸媒結構
110:多孔性載體
111:氮摻雜碳骨架
112:金屬氧化物粒子
113:奈米碳管
114:孔洞
120:層狀氫氧化物

Claims (11)

  1. 一種觸媒結構，包含： 一多孔性載體，包含： 一氮摻雜碳骨架，其具有複數個孔洞； 複數個金屬氧化物粒子，該些金屬氧化物粒子均勻地分散於該氮摻雜碳骨架之該些孔洞中；及 複數個奈米碳管，該些奈米碳管位於該氮摻雜碳骨架的表面，且各該奈米碳管之一端與該氮摻雜碳骨架的表面連接；以及 複數個層狀氫氧化物，該些層狀氫氧化物披覆於該氮摻雜碳骨架之表面。
  2. 如請求項1所述之觸媒結構，其中該氮摻雜碳骨架的粒經大小為100 nm至5 μm。
  3. 如請求項1所述之觸媒結構，其中該些金屬氧化物粒子為四氧化三鈷。
  4. 如請求項1所述之觸媒結構，其中各該奈米碳管的長度為10 nm至2 μm。
  5. 如請求項1所述之觸媒結構，其中各該奈米碳管的管徑為1 nm至30 nm。
  6. 如請求項1所述之觸媒結構，其中各該層狀氫氧化物的厚度為0.5 nm至50 nm。
  7. 如請求項1所述之觸媒結構，其中該些層狀氫氧化物為鎳-鐵層狀氫氧化物。
  8. 一種如請求項1至請求項7中任一項所述之觸媒結構之用途，其係用於催化一電化學能量轉換反應。
  9. 如請求項8所述之觸媒結構之用途，其中該電化學能量轉換反應為氧氣還原反應、氧氣析出反應、氫氣析出反應或二氧化碳還原反應。
  10. 一種電化學裝置，其包含如請求項1至請求項7中任一項所述之觸媒結構。
  11. 如請求項10所述之電化學裝置，其中該電化學裝置為鹼性燃料電池、金屬空氣電池或水電解裝置。
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