[發明專利]一種磷摻雜多孔碳氧還原催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201811068626.0
• 申請日: 2018-09-13
• 公開（公告）號: CN109167077B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 黃乃寶;張媛媛
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務所(普通合伙) 11732
• 代理人: 周新楣

本發明涉及一種磷摻雜多孔碳氧還原催化劑及其制備方法和應用，屬于燃料電池催化劑材料領域。一種磷摻雜多孔碳氧還原催化劑的制備方法，將NaH₂PO₂和柚子皮粉混合后經過水熱反應獲得中間產物，將中間產物干燥后獲得塊狀物質；再將塊狀物質在氮氣條件下進行碳化，所得產物洗滌、干燥、研磨，既得。本發明制備磷摻雜三維多孔碳材料的操作簡單，流程較少，設備投資少，重復性好，便于解決大規模生產難的問題。

技術領域

本發明涉及一種磷摻雜多孔碳氧還原催化劑及其制備方法和應用，屬于燃料電池催化劑材料領域。

背景技術

近年來，能源短缺和環境污染是人類面臨的兩大問題，尋找一種可替代的新能源刻不容緩，燃料電池作為一種能量轉換裝置，具有能量轉換率高，環境友好等優點。燃料電池陰極的氧還原反應在燃料電池中起著關鍵作用，由于其緩慢的動力學控制步驟限制了燃料電池的反應速度。雖然傳統的Pt基材料是氧還原反應中最實用、最有效的電催化劑，但在燃料電池工業化中，它們受到高成本和容易中毒的阻礙。因此，開發廉價、高效、高耐受性和穩定的電催化劑成為勢在必行的研究。

摻雜雜原子會破壞碳材料的電中性，增加氧分子的吸附位置和氧還原位點。因此，雜原子摻雜碳材料受到了廣泛的關注。P的半徑大于碳，電負性略小于碳。在外電子中有5個電子使磷具有更好的電子貢獻。當P摻雜碳時，磷原子與周圍C原子之間的相互作用導致電荷密度和自旋密度的重新分布，然后在碳材料表面產生具有豐富電子或缺少電子的一些活性位點。因此，摻雜磷可以改善碳材料的電子結合性能，提高催化活性。目前，為了降低催化劑的成本，利用廢棄的生物質制備多孔碳是主要的研究方法，生物質材料是環境友好的碳源，多孔碳顯示出三維結構，由于其較大的比表面積，更容易提供電轉移路徑和氧吸收位點，引入雜原子后，增加了活性位點，也會大大提升催化性能。

發明內容

為了尋找可替代的催化劑，從成本上選用廢棄的生物質材料，通過摻雜磷元素來增加活性位點進而提高催化劑性能，本發明設計了一種工藝簡單、磷摻雜三維多孔碳氧還原催化劑的制備方法。

本發明的目的在于提供一種磷摻雜三維多孔碳氧還原催化劑的制備方法。

一種磷摻雜多孔碳氧還原催化劑的制備方法，將NaH₂PO₂和柚子皮粉混合后經過水熱反應獲得中間產物，將中間產物干燥后獲得塊狀物質；再將塊狀物質在氮氣條件下進行碳化，所得產物洗滌、干燥、研磨，既得。

本發明所述柚子皮粉是將柚子皮內表面白絮狀部分干燥后研磨所得。

優選地，本發明所述NaH₂PO₂和柚子皮粉的質量比為1:1～2:3。最優選地，所述NaH₂PO₂和柚子皮粉的質量比為1:1。

優選地，本發明所述水熱反應條件為：140～260℃，保溫2～8h，其中，柚子皮粉與水的比為1～4g:20～50mL。

進一步地，優選所述水熱反應條件：為180℃下保溫6h。

優選地，本發明所述碳化條件為：氮氣氣氛下，以5～15℃/min的升溫速率升溫至600～1000℃，保溫2～6h，后隨爐冷卻至室溫。

優選地，本發明所述洗滌為：利用1～8mol/L HCl溶液浸泡，4000r/min下用去離子水離心5min，重復離心至中性，然后用無水乙醇離心清洗。

進一步地，本發明優選使用3mol/L HCl溶液。

本發明的另一目的是提供上述方法制備得磷摻雜多孔碳氧還原催化劑。

本發明所述磷摻雜多孔碳氧還原催化劑為具有三維多孔結構的材料，其比表面積為400～600g/m²。