[發(fā)明專(zhuān)利]一種非金屬氧還原催化劑及其制備方法與應(yīng)用

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710982699.X
• 申請(qǐng)日: 2017-10-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107661772B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-10-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡勁松;羅浩
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所
• 主分類(lèi)號(hào): B01J27/24
• 分類(lèi)號(hào): B01J27/24;H01M4/90
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 關(guān)暢

本發(fā)明公開(kāi)了一種非金屬氧還原催化劑及其制備方法與應(yīng)用。所述非金屬氧還原催化劑為氮磷雙摻雜的多孔碳材料，其制備方法，包括如下步驟：1)在非氧化條件下，煅燒植酸鉀、植酸鈉中一種，進(jìn)而通過(guò)酸或水溶液洗滌離心干燥，制備得到磷摻雜多孔碳材料。2)將制備的磷摻雜多孔碳材料與氮源混合后進(jìn)行熱處理，再通過(guò)水洗干燥得到氮磷雙摻雜多孔碳材料。本發(fā)明所提供的非金屬氧還原催化劑即所述氮磷雙摻雜多孔碳材料可作為氧還原催化劑，其氧還原催化性能接近商業(yè)鉑碳催化劑。本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單、成本低廉、性能優(yōu)異、適于大規(guī)模生產(chǎn)燃料電池非貴金屬氧還原催化劑，有潛力作為燃料電池氧還原貴金屬催化劑的替代者。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于催化劑領(lǐng)域，涉及一種非金屬氧還原催化劑及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

燃料電池是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好、操作溫度低、比功率與比能量高等突出特點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)及其它民用場(chǎng)合最有希望的化學(xué)電源。貴金屬通常作為燃料電池陰極催化劑以催化氧還原反應(yīng)，但其儲(chǔ)量稀少、價(jià)格高昂、穩(wěn)定性差及選擇性低等缺點(diǎn)大大阻礙了燃料電池的規(guī)模化使用。因此，開(kāi)發(fā)廉價(jià)的、可持續(xù)的、高性能的非貴金屬氧還原催化劑對(duì)燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程具有非常重要的意義。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)非貴金屬的制備進(jìn)行了大量的研究，非貴金屬催化劑大體上可分為以下幾類(lèi)：雜原子摻雜的碳材料、基于過(guò)渡金屬的氧化物或硫化物或氮化物或氮氧化物、基于鐵/鈷和氮元素修飾的碳材料。其中非金屬催化劑表現(xiàn)出較好的氧還原催化性能，但是大部分非金屬氧還原催化劑制備方法都較為復(fù)雜，耗費(fèi)大量的人力物力，而且制備工藝條件不易控制，單次制備只能獲得少量催化劑，不利于催化劑的規(guī)模化生產(chǎn)。因此開(kāi)發(fā)一種低成本、高活性、工藝簡(jiǎn)單、適于大規(guī)模生產(chǎn)的非金屬氧還原催化劑，對(duì)于燃料電池的產(chǎn)業(yè)化具有重大的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種非金屬氧還原催化劑及其制備方法與應(yīng)用。

本發(fā)明提供的制備非金屬氧還原催化劑的制備方法，包括如下步驟：

1)在非氧化條件下，煅燒植酸金屬鹽得到前驅(qū)物，用酸處理后，水洗，離心收集沉淀，干燥，得到磷摻雜多孔碳材料；

2)將步驟1)所得磷摻雜多孔碳材料與氮源混合后進(jìn)行熱處理，得到所述非金屬氧還原催化劑。

上述方法的步驟1)中，上述方法中，所述植酸金屬鹽選自植酸鉀和植酸鈉中的至少一種。

所述非氧化條件是通過(guò)向反應(yīng)體系中通入氮?dú)狻鍤狻錃夂秃庵械闹辽僖环N氣體得到的。

所述煅燒的條件為：煅燒溫度為300℃-1500℃，煅燒時(shí)間為0.5小時(shí)-10小時(shí)，升溫速率為0.5℃/min-100℃/min；

所述煅燒條件具體可為：煅燒溫度為600℃-1000℃，更具體可為800℃或900℃或1000℃；煅燒時(shí)間為1小時(shí)-3小時(shí)或1小時(shí)-2小時(shí)，升溫速率為3℃/min-15℃/min。

所述方法還包括如下步驟：在所述煅燒步驟之后，對(duì)煅燒產(chǎn)物依次用酸處理，水洗，離心收集沉淀，干燥。

所述酸選自鹽酸、硫酸、硝酸和氫氟酸的水溶液中的至少一種；所述用酸處理的條件為：5℃-200℃處理0.1小時(shí)-100小時(shí)；所述酸的濃度具體為0.5-1.5mol/L，更具體可為1mol/L；用酸處理可以去除煅燒產(chǎn)物中附帶的氧化物雜質(zhì)。

所述用酸處理的條件具體可為：20℃-80℃處理12小時(shí)-24小時(shí)，更具體可為常溫處理18小時(shí)-24小時(shí)；

水洗和離心的目的均是為了進(jìn)一步去除煅燒產(chǎn)物中附帶的氧化物雜質(zhì)。

所述干燥步驟中，干燥的氣氛為真空或空氣或向反應(yīng)體系中通入下述氣體中的至少一種得到的：氮?dú)狻鍤狻⒑夂投趸肌?/p>