[發(fā)明專利]一種具有一維分級結(jié)構(gòu)碳基氧還原催化劑的制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811044251.4
• 申請日: 2018-09-07
• 公開（公告）號: CN109244489A
• 公開（公告）日: 2019-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王振波;周慶炎;宮曉飛;趙磊;隋旭磊
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 北京慕達星云知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 崔自京

本發(fā)明公開了一種具有一維分級結(jié)構(gòu)的碳基氧還原催化劑的制備方法，制備步驟如下：一、稱取聚吡咯和表面活性劑，加入溶劑，超聲混合均勻后，使用去離子水抽濾，真空干燥；二、稱取步驟一處理過的聚吡咯和金屬鹽，加入甲醇溶劑，超聲均勻得混合物A；三、稱取2?甲基咪唑，加入甲醇溶劑，均勻混合得混合物B；四、將混合物B倒入混合物A，攪拌，靜置，使用甲醇離心洗滌，真空干燥得到材料C；五、將材料C放入管式爐煅燒，得到分級結(jié)構(gòu)碳基催化劑。由于聚吡咯具有一維結(jié)構(gòu)，有利于電子傳輸，負載MOF后材料具有一維分級結(jié)構(gòu)，有利于提高傳質(zhì)作用，提高催化活性。同時，材料具有的介孔、微孔共存的分級孔道結(jié)構(gòu)也有助于提高催化劑的活性和穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說是涉及一種具有一維分級結(jié)構(gòu)碳基氧還原催化劑的制備方法。

背景技術(shù)

進入21世紀以來，全球化石燃料大量消耗，由此引發(fā)的能源和環(huán)境問題成為人們面臨的最主要問題，開發(fā)綠色、清潔、經(jīng)濟的可再生能源已迫在眉睫。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種公認的清潔、高校的綠色能源技術(shù)，除具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好之外，同時還具有室溫快速啟動、無電解液流失、易排水、壽命長、比功率與能量高等突出特點，是最具有潛力成為機動動力能源供應(yīng)裝置的燃料電池。高昂的成本是PEMFC目前無法大規(guī)模應(yīng)用的最主要原因，而陰極鉑催化劑的成本高達整個體系的55％，因此研制出高催化活性的非貴金屬氧還原催化劑至關(guān)重要。

過渡金屬和氮共摻雜的碳材料被認為是最有希望替代鉑催化劑的非貴金屬材料。其中鈷氮碳催化劑具有良好的催化活性以及優(yōu)秀的穩(wěn)定性，因此受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。材料的比表面積對于其催化活性有非常重要的影響，高的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)有助于物質(zhì)傳輸，提高催化活性。同時，氮元素的含量對于材料的氧還原活性具有至關(guān)重要的作用。目前存在的最主要問題是金屬原子在高溫煅燒的過程中，受到表面自由能的影響，極易團聚形成巨大顆粒，造成活性位點的損失。

因此，在合成催化劑的過程中，提高材料的比表面積、氮含量以及抑制金屬原子的團聚具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種具有一維分級結(jié)構(gòu)的碳基氧還原催化劑的制備方法，通過在聚吡咯納米管表面原位負載金屬有機框架化合物，抑制了其在高溫煅燒過程中的團聚，提高了材料的氧還原催化活性。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種具有一維分級結(jié)構(gòu)碳基氧還原催化劑的制備方法，包括以下制備步驟：

1)稱取聚吡咯和表面活性劑，加入溶劑，超聲混合均勻后，使用去離子水抽濾，80℃真空干燥；

2)稱取步驟1)處理過的聚吡咯和金屬鹽，然后加入甲醇溶劑，超聲均勻得混合物A；

3)稱取2-甲基咪唑，加入甲醇溶劑，均勻混合得混合物B；

4)將混合物B倒入混合物A，攪拌一段時間，然后靜置，使用甲醇離心洗滌3次，80℃真空干燥得到材料C；

5)將材料放入管式爐，在氬氣氣氛下煅燒，得到分級結(jié)構(gòu)碳基催化劑。

優(yōu)選的，所述步驟1)中聚吡咯的濃度為1.25mg/mL。

優(yōu)選的，所述步驟1)中表面活性劑的濃度為0.25～2.5mg/mL。

優(yōu)選的，所述步驟1)中溶劑為去離子水或者甲醇或者二者的混合溶液。

優(yōu)選的，所述步驟1)中表面活性劑為十二烷基磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨、烏洛托品。

優(yōu)選的，所述步驟1)中超聲時間為2～4h。

優(yōu)選的，所述步驟2)中聚吡咯的濃度為2.5mg/mL。