[發(fā)明專利]一種氮硫共摻雜碳載非貴金屬氧還原催化劑及其制備方法

有效

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• 申請日: 2018-08-13
• 公開（公告）號: CN109192997B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳紅飆;謝偉超;黎華明;苗扎根
• 申請（專利權(quán)）人: 湘潭大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 北京卓恒知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11394
• 代理人: 徐樓

本發(fā)明提供一種氮硫共摻雜碳載非貴金屬氧還原催化劑，它是通過以下制備方法所制備的：首先通過離子交換法制備出Fe²⁺離子與SCN^?離子的溶液，再將2,2'?二吡啶胺與1,3,5?三氯均三嗪反應(yīng)得到的化合物2,4,6?三(2,2'?二吡啶胺)?1,3,5?三嗪(Dpy)，然后通過混合溶劑法將Fe²⁺離子與SCN^?離子的溶液滴加到Dpy的有機溶劑中，蒸發(fā)溶劑得到一種[Fe(SCN)₂]_m(Dpy)_n配合物，將[Fe(SCN)₂]_m(Dpy)_n配合物經(jīng)過熱處理，得到氮硫共摻雜碳載非貴金屬氧還原催化劑。本發(fā)明提供的一種氮硫共摻雜碳載非貴金屬氧還原催化劑具有較高氮含量以及優(yōu)異的氧還原催化活性、抗無水甲醇性能和穩(wěn)定性；可以用于燃料電池。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氧還原催化劑，具體涉及一種氮硫共摻雜碳載非貴金屬氧還原催化劑及其制備方法和用途，屬于燃料電池科學技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

可持續(xù)發(fā)展問題是目前人們面臨的最大問題之一，隨著人們的開采使用，地球上不可再生的化石能源的儲量日趨枯竭，對于新能源的開發(fā)與研究迫在眉睫，而燃料電池(Fuell Cell，F(xiàn)C)因為不受卡諾循環(huán)的限制、能量轉(zhuǎn)化效率高(達40％-60％)并環(huán)境友好，在近年來備受關(guān)注。反應(yīng)溫度低造成燃料電池電極反應(yīng)速率慢，因此必須使用催化活性高的Pt納米粒子作為陰、陽極電催化劑，特別是陰極氧還原反應(yīng)(Oxygen reductionreaction，ORR)速率遠低于陽極燃料氧化反應(yīng)的速率，從而需要比陽極高出許多的催化劑去加速其氧還原反應(yīng)進程，貴金屬Pt不僅價格貴，且自然界中儲量稀少，以現(xiàn)有的技術(shù)所使用的Pt/C催化劑占整個電池成本的55％。

自從Gong K P等在2009年研究發(fā)現(xiàn)氮摻雜的碳納米管材料對氧還原反應(yīng)具有較高的催化活性以后，摻雜碳材料被認為是一種很有前景的可用于燃料電池的氧還原催化劑。通常的氮源前驅(qū)體材料有:含氮有機小分子、含氮雜環(huán)化合物、含氮有機聚合物。為增強氮摻雜碳材料的催化活性，研究者進而對金屬與氮共摻雜的碳材料進行了研究：Zhang J等以氯化鐵作為氧化劑對苯胺進行了氧化聚合，然后在900℃下對得到的聚合產(chǎn)物熱處理，制備出了鐵氮共摻雜的碳材料。該催化劑在酸性介質(zhì)中擁有良好的氧還原催化活性，與商業(yè)Pt/C電極比較具有更好的穩(wěn)定性(Journal of Materials Chemistry A,2014,2(5):1242-1246)。Zhang S M等通過加熱含有氧化石墨烯，三聚氰胺和一定量鐵離子的混合物前軀體制備出了一種鐵氮共摻雜的復合碳材料。研究發(fā)現(xiàn)在石墨板上原位制備碳納米管材料不僅能夠使碳納米管具有良好的分散性，還能優(yōu)化鐵氮的摻雜與協(xié)同作用(Journal ofMaterials Chemistry A,2013,1(10):3302-3308)。Choi J等以兩種不同比表面積的炭黑材料為基體，以乙二胺為氮源，制備出了兩種類型的催化劑，研究發(fā)現(xiàn)較高的比表面積能產(chǎn)生較多活性位點，從而增強催化活性(The Journal of Physical Chemistry C,2010,114(17):8048-8053)。Xu An W等通過將含有三聚氰胺，聚乙烯亞胺和三聚硫氰酸的DMSO溶液混合攪拌，然后在800℃條件下熱處理得到氮硫共摻雜的復合碳材料。研究分析得出：由于氮與硫的共摻雜及其之間協(xié)同作用，得到一種性能優(yōu)異的氧還原催化材料(RSC Adv.,2016,6,52937-52944)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明采用了一種高含氮量的前驅(qū)體來制備一種氮硫共摻雜碳載非貴金屬氧還原催化劑，此方法相對于其他的制備方法，具有合成方法簡單，合成周期快，無需另外添加碳源，可以準確控制不同元素之間的摩爾比等優(yōu)點，有利于促進燃料電池領(lǐng)域的研究與發(fā)展。

根據(jù)本發(fā)明提供的第一種實施方案，提供一種氮硫共摻雜碳載非貴金屬氧還原催化劑。