[發明專利]一種非貴金屬氧還原催化劑及其制備和應用

在審

• 申請號: 201310692298.2
• 申請日: 2013-12-15
• 公開（公告）號: CN104707640A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發明（設計）人: 孫公權;夏章訊;付旭東;王素力;姜魯華
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J27/02;H01M4/90
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

1.一種非貴金屬氧還原催化劑，其特征在于：包括碳主鏈與摻雜金屬，且微觀上具有取向一致的納米線陣列結構；

摻雜金屬摻雜于碳主鏈的分子結構中，摻雜金屬于催化劑中的含量為1-30wt.%。

2.如權利要求1所述氧還原催化劑，其特征在于：

所述催化劑碳主鏈為碳納米線；所述摻雜金屬為鐵、鈷、鎳中的一種或二種以上。

3.如權利要求1所述氧還原催化劑，其特征在于：

所述催化劑碳主鏈中摻雜有氮和/或硫元素。

4.如權利要求1或2或3所述氧還原催化劑，其特征在于：

所述納米線長度為1-30微米，直徑為50-200納米。

5.一種權利要求1-4任一所述非貴金屬催化劑的制備方法，其特征在于：包括以下制備步驟，

a.金屬摻雜的導電聚合物納米線陣列結構的電化學制備

采用電沉積的方法在導電基底表面電沉積導電聚合物和含金屬的離子或分子，得到微觀上垂直于導電基底表面方向上的取向有序的金屬摻雜的導電聚合物納米線陣列結構；

b.金屬碳結構的熱解制備

將上述步驟a中所得金屬摻雜的導電聚合物納米線陣列結構置于氮氣、氬氣、氦氣或真空環境中，于500-1500℃條件下熱處理1-6h，將納米線陣列結構與基底剝離，得到金屬碳納米線陣列結構的非貴金屬催化劑。

6.如權利要求5所述氧還原催化劑的制備方法，其特征在于：

步驟a中，所述導電聚合物為聚噻吩或聚噻吩衍生物或聚吡咯或聚吡咯衍生物或聚苯胺或聚苯胺衍生物中的一種；導電聚合物濃度為0.01-0.5M；

含金屬的離子或分子為二茂鐵、二茂鐵甲酸、二茂鐵甲醇、酞菁鐵、醋酸亞鐵、氯化亞鐵、硝酸亞鐵、醋酸鈷、氯化鈷、硝酸鈷、醋酸鎳、氯化鎳、硝酸鎳中的一種或二種以上；含金屬的離子或分子濃度為0.001-0.1M。

7.如權利要求6所述氧還原催化劑的制備方法，其特征在于：

步驟a中，所述導電聚合物為聚噻吩或聚噻吩衍生物時，所得催化劑中碳主鏈中摻雜有硫元素；

步驟a中，所述導電聚合物為聚吡咯或聚吡咯衍生物或聚苯胺或聚苯胺衍生物時，所得催化劑中碳主鏈中摻雜有氮元素；

步驟a中，所述導電聚合物含有聚噻吩或聚噻吩衍生物中的一種或兩種以上，同時含有聚吡咯或聚吡咯衍生物或聚苯胺或聚苯胺衍生物中的一種或兩種以上時，所得催化劑中碳主鏈中摻雜有氮和硫元素。

8.如權利要求6或7所述氧還原催化劑的制備方法，其特征在于：

步驟a中，所述電沉積方法具體為將氣體擴散層、石墨板、銅片、鐵片、鉑片、鈀片中的一種作為導電基底；將導電基底作為工作電極，飽和甘汞電極或銀氯化銀電極作為參比電極、金屬鉑片作為對電極，采用三電極體系進行電沉積；

電沉積采用的溶劑為水、乙二醇、丙酮、乙腈、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、醋酸丙烯酯中的一種溶液；

所述電沉積過程電解質溶液中加入的支持電解質為對甲苯磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉、β-萘磺酸、雙三甲基硅基三氟乙酰胺、高氯酸鹽、硫酸鹽、氯化物中的一種或幾種；所述電沉積過程電解質溶液中支持電解質的濃度為0.01-0.5M；

當所述電解質溶液為水溶液時，參比電極為飽和甘汞電極，含金屬的離子或分子為二茂鐵甲酸、二茂鐵甲醇、醋酸亞鐵、氯化亞鐵、硝酸亞鐵、醋酸鈷、氯化鈷、硝酸鈷、醋酸鎳、氯化鎳、硝酸鎳中的一種或幾種；

當所述電解質溶液為非水溶液時，參比電極為銀氯化銀電極，含金屬的離子或分子為二茂鐵、二茂鐵甲酸、二茂鐵甲醇、酞菁鐵、醋酸亞鐵、醋酸鈷、醋酸鎳中的一種或幾種。

9.如權利要求6或7或8所述氧還原催化劑的制備方法，其特征在于：

所述電沉積其電沉積電位相對于飽和甘汞電極或銀氯化銀電極為0.6-0.9V；

所述電沉積其電沉積時間長度為0.25-1h。

10.一種權利要求1-4所述非貴金屬催化劑的應用，其特征在于：所述催化劑可用于質子交換膜燃料電池、或金屬空氣燃料電池、或堿性膜燃料電池的氧還原電催化劑。