[發明專利]一種酸堿溶液中氧還原反應高效電催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201711110655.4
• 申請日: 2017-11-12
• 公開（公告）號: CN107845814B
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發明（設計）人: 易清風;鄧中梁;余亮;李廣
• 申請（專利權）人: 湖南科技大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 張家界市慧誠商標專利事務所 43209
• 代理人: 高紅旺

本發明公開了一種適用于酸、堿性電解質溶液中的氧還原反應的高效率電催化劑及其制備方法。本發明的主要內容包括（1）在鎳鈷鹽存在下，制備聚苯胺負載的NiCo催化劑前驅體（NiCo@PANI）；（2）將催化劑前驅體（NiCo@PANI）、多壁碳納米管(CNT)及不同比例的雙氰胺（DCD）混合均勻后在N₂氣氛中于800℃下加熱，得到鎳鈷摻雜C?N復合材料（NiCo@C?N）；（3）再以上述NiCo@C?N復合材料為載體，利用KMnO₄和MnCl₂反應所產生的二氧化錳（MnO₂），制備出MnO₂?NiCo@C?N復合材料催化劑。本發明的MnO₂?NiCo@C?N催化劑無論在酸性、堿性溶液中，都對氧還原反應具有極高的電催化活性；本發明的催化劑主要由非鉑金屬（鎳?鈷）和碳?氮組成，催化劑成本大大降低，而且電催化活性強，在燃料電池和金屬?空氣電池有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于新型非貴金屬摻雜碳氮材料與能源材料技術領域，具體涉及到一種適用于酸、堿性電解質溶液中的氧還原反應的高活性電催化劑及其制備方法。

背景技術

隨著經濟和社會的高速發展，全球能源的消耗急劇增加，人類面臨嚴峻的能源危機。因此，開發新型的可再生新能源代替傳統化石燃料變得極為重要。燃料電池因具有轉化效率高、環境友好等優點，是解決當前能源緊缺問題的有效途徑之一，被認為是21世紀的重要動力來源。

燃料電池的陰極反應主要為氧還原反應（ORR），是衡量燃料電池總體性能的主要因素。在酸性介質中氧還原反應機理主要有2種：

（1）直接4電子反應途徑

O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O E⁰ = 1.229 V

（2）分步4電子反應途徑

O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O₂ E⁰ = 0.695 V

H₂O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O E⁰ = 1.76 V

在堿性介質中的氧還原反應比較穩定，其反應機理如下：

O₂ + 2H₂O + 4e^- → 4OH^- E⁰=0.404 V

直接4電子反應能避免不穩定中間產物（H₂O₂）的生成，提高了電池的能量轉化率及放電電壓，是人們心目中理想的反應過程。

當前，鉑和鉑基材料被認為是催化氧化還原反應最好的催化劑，但是其相對有限的豐度、容易中毒及昂貴的價格迫使科學家致力開發非貴金屬催化劑。過渡金屬基催化劑（例如Mn，Fe，Co，Ni等）被視為一個很有發展前途的替代品，由于其具有儲量豐富，易獲取和價格低廉等優點，因此被幾十年來全世界關注的焦點。