[發明專利]一種高比表面積的過渡金屬-氮共摻雜碳氧還原催化劑及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 201711182761.3
• 申請日: 2017-11-23
• 公開（公告）號: CN108011110A
• 公開（公告）日: 2018-05-08
• 發明（設計）人: 葉建山;劉柏辰;魯志偉;戴琬琳
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

本發明公開了一種高比表面積的過渡金屬?氮共摻雜碳氧還原催化劑及其制備方法與應用。該方法的步驟包括：將2,2'?聯吡啶、碳黑和過渡金屬鹽均勻的分散在溶劑之中，隨后將所得混合物置于電熱鼓風干燥箱中干燥得到固體前驅物，將所得的前驅物在惰性氣體的保護下恒溫煅燒，并將煅燒后的產物用稀酸充分洗滌，得到高比表面積的過渡金屬?氮共摻雜碳氧還原催化劑。本發明方法操作簡單，成本較低，便于實現大規模的工業化生產。制備的過渡金屬?氮共摻雜碳氧還原催化劑具有高效的氧還原催化性能，可用作燃料電池和鋰空氣電池的電極催化劑。

技術領域

本發明涉及燃料電池科學技術領域，具體涉及一種高比表面積的過渡金屬-氮共摻雜碳氧還原催化劑及其制備方法與應用。

背景技術

陰極氧還原反應是決定燃料電池和鋰空氣電池性能的關鍵過程。鉑及其合金因其具有優異的催化活性，成為了最為常用的氧還原催化劑。但是由于鉑存在著儲量有限、成本較高和穩定性較差等缺點，使其阻礙了燃料電池的大規模商業化應用。為了克服這些瓶頸，過去幾十年來科學家們一直致力于開發非貴金屬催化劑以替代鉑基催化劑。其中，過渡金屬-氮-碳催化劑由于其成本較低、催化活性和穩定性較好等優點，被認為是最有前途的氧還原催化劑。自從1964年Jasinski發現金屬酞菁具有氧還原催化活性以來，過渡金屬-氮-碳催化劑已有超過50年的研究歷史。在隨后的研究中，Yeager等人研究表明在過渡金屬-氮-碳催化劑的合成過程中，低成本的小分子前驅體可以用于代替昂貴的大環化合物。此后，研究學者們對過渡金屬-氮-碳催化劑進行了大量的研究，而且由于較高的自然豐度，鐵和鈷已成為了過渡金屬-氮-碳催化劑中最為常見的金屬。然而大部分報道的過渡金屬-氮-碳催化劑合成方法都較為復雜，合成過程工藝條件不易控制，不利于催化劑的大規模工業生產。因此，尋找一種價格低廉、工藝簡單且具有較高氧還原催化活性和穩定性的過渡金屬-氮共摻雜碳氧還原催化劑的制備方法，對于推動燃料電池和鋰空氣電池的發展及其產業化具有重要意義。

發明內容

本發明針對現有技術存在的不足，目的在于提供一種具有高比表面積的過渡金屬-氮共摻雜碳氧還原催化劑的制備方法。本發明以2,2'-聯吡啶、碳黑和過渡金屬鹽為原料，通過直接熱解的方法制備了過渡金屬-氮共摻雜碳氧還原催化劑。本發明方法操作簡單，成本較低，易于工業化生產。同時，制備的催化劑具有高效的氧還原催化性能，可應用于燃料電池和鋰空氣電池。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現。

一種高比表面積的過渡金屬-氮共摻雜碳氧還原催化劑的制備方法，包括以下步驟：

（1）將2,2'-聯吡啶、碳黑和過渡金屬鹽充分分散于溶劑中，得混合物；

（2）將步驟（1）所得混合物干燥，得到固體前驅物；

（3）將步驟（2）所得的固體前驅物在惰性氣體的保護下，置于管式爐中恒溫煅燒；

（4）將步驟（3）煅燒后的產物用稀酸充分洗滌，過濾干燥，得到高比表面積的過渡金屬-氮共摻雜碳氧還原催化劑。

優選的，步驟（1）中，所述過渡金屬鹽為過渡金屬的醋酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽或氯化物。

優選的，步驟（1）中，所述過渡金屬鹽為Fe、Co和Ni中的一種或多種金屬的鹽。

優選的，步驟（1）中，所述過渡金屬鹽為Fe、Co和Ni中的一種或多種金屬的醋酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽或氯化物。

優選的，步驟（1）中，2,2'-聯吡啶與碳黑的質量比為1:4到4:1之間。

優選的，步驟（1）中，所述溶劑為去離子水、無水乙醇、甲醇和異丙醇中的任意一種或者多種。

優選的，步驟（2）中，所述干燥為置于電熱鼓風干燥箱中干燥，干燥的溫度為50-100℃，時間為8-24小時。