[發明專利]一種含銅氧還原催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201710914465.1
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107742731B
• 公開（公告）日: 2019-12-03
• 發明（設計）人: 李福枝;劉躍軍;石璞;譚平
• 申請（專利權）人: 湖南工業大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M12/08;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 11569 北京高沃律師事務所
• 代理人: 劉奇<國際申請>=<國際公布>=<進入國

本發明提供了一種含銅氧還原催化劑的制備方法，屬于催化劑制備領域。本發明將可溶性銅鹽、KB、含氮有機物以及水混合進行水熱反應后研磨，然后進行第一煅燒，第一煅燒產物經無機酸洗滌后進行第二煅燒，得到含銅氧還原催化劑。本發明使用廉價原材料，采用溫和的可大批量生產的工藝來制備含銅氧還原催化劑，降低了生產成本，同時將可溶性銅鹽還原成銅顆粒并均勻分散在KB中，并同時得到氮摻雜的碳(N_xC_y)和CuN_xC_y活性位點，導電炭黑KB負載這些活性位點，進而能夠促進其催化性能。實施例的數據表明，本發明制備的含銅氧還原催化劑對氧還原反應的催化性能與商業上含量為20％的鉑碳催化劑的性能十分接近。

技術領域

本發明涉及催化劑制備技術領域，尤其涉及一種含銅氧還原催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

金屬-空氣電池尤其是鋁-空氣電池，是最有前途的能量轉換與儲存技術手段。鋁空氣電池有不少特點，比如價格低，環境友好，運行溫度低(常溫)，實際能量密度高達600wh·kg^-1。但是，鋁空氣電池的空氣電極在常溫下的反應速度非常慢，需要催化劑來催化提速。目前最好的催化劑是商業鉑碳，常見的是JM 20％Pt/C，但是鉑金屬非常昂貴，且稀少，很難大規模地商業應用。因此，尋找高效的非鉑金屬催化劑已成為該電池的瓶頸問題。

近些年來，銅基催化劑廣受關注，其價格低，含量豐富，電子導電率高，并且氧氣還原的過電勢低。到目前為止，用于催化氧還原的銅基催化劑中，Cu-N-C類型報道較多，而且有些表現出較好的氧還原催化活性。目前，據文獻報道，制備Cu-N-C類催化劑的常見技術方案歸總主要有如下兩種方式：(1)將銅鹽與含氮有機物混合后直接于氬氣流下煅燒；(2)將銅鹽與卟啉或者酞青制成銅卟啉或者銅酞青，或者將銅鹽與含碳含氮有機物混合制成銅有機骨架化合物，然后煅燒。這些制備往往需要使用價格較貴的材料，如銅酞青，卟啉，ZIF-8(沸石咪唑有機骨架物-8)，碳納米管，1.3.5-均苯三甲酸，5-硝基鄰菲啰啉等等，存在原料昂貴的問題。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種含銅氧還原催化劑的制備方法，在不影響氧還原催化劑的催化活性的基礎上降低原料的成本。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

一種含銅氧還原催化劑的制備方法，所述含銅氧還原催化劑具有式I所示化學組成：

Cu/CuN_xC_y-KB 式I，

式I中KB為導電炭黑；

所述制備方法包括以下步驟：

(1)將可溶性銅鹽、KB、含氮有機物以及水混合進行水熱反應，得到水熱產物；

(2)將所述步驟(1)得到的水熱產物進行研磨，得到研磨物料；

(3)將所述步驟(2)得到研磨物料進行第一煅燒，得到第一煅燒產物；

(4)將所述步驟(3)得到的第一煅燒產物在無機酸中洗滌后進行第二煅燒，得到含銅氧還原催化劑。

優選地，所述步驟(1)中水熱反應的溫度為100～140℃，所述水熱反應的時間為12～24h。

優選地，所述步驟(1)中可溶性銅鹽中Cu²⁺的摩爾量與含氮有機物中N元素的摩爾量和KB的質量比為4mmol：7～10mmol：0.2g。

優選地，所述步驟(3)中研磨物料進行第一煅燒前還包括：用銅箔包裹所述研磨物料。

優選地，所述步驟(3)中第一煅燒的溫度為600～900℃，所述第一煅燒的時間為1～3h。