[發明專利]碳載雙金屬氮化物電催化劑的制備及應用

在審

• 申請號: 201811419005.2
• 申請日: 2018-11-26
• 公開（公告）號: CN111224114A
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 邵志剛;楊麗夢;方達暉;唐雪君;王朋豪;秦曉平;衣寶廉
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

本發明涉及一種碳載雙金屬氮化物電催化劑的制備及其應用。具體的說是將鈷鹽、鋅鹽以及碳載體溶于乙醇溶劑中，將三者超聲分散均勻，制得混合溶液；恒溫攪拌一段時間后升溫，蒸干溶劑；然后將制得的產物放入管式爐中，通入氨氣，高溫氮化，制得碳載雙金屬氮化物材料。采用該制備方法得到的電催化劑材料在燃料電池和電解池方面具有巨大的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種碳載雙金屬氮化物電催化劑的制備方法，屬于燃料電池等氧還原反應電催化技術領域。

背景技術

隨著能源環境問題日益凸顯，氫氧燃料電池由于其能量轉換效率高、環境友好等優點受到了專家學者的關注，而電池陰極反應氧氣還原反應(ORR)最理想的催化劑是鉑碳催化劑，但是鉑昂貴的價格和有限的儲量極大的限制了燃料電池的商業化。由于較高的活性和較低的成本，非貴金屬催化劑成為了研究熱點(J.Meng,D.Zhao and L.Mai,Journalof the American Chemical Society,2017,139,8212-8221)。其中研究較多的為過渡金屬-氮-碳催化劑，此外，金屬氮化物催化劑也有較為優異的表現(B.Cao,G.M.Veith,etal.Angewandte Chemie,2013,52,10753-10757)。

中國專利ZL201210429762.4公開了一雙金屬氮化物催化劑的制備方法，采用溶膠凝膠-高溫燒結法制備，以碳黑為載體，加入金屬鹽的混合水溶液，超聲分散形成溶膠，恒溫干燥得到干凝膠，然后在氮源條件下熱處理得到過渡金屬氮化物復合材料。該方法制備碳載過渡金屬氮化物催化劑在堿性空氣電池中可達130A cm^-2電密下0.98V的放電電壓，具有較優的氧還原催化活性。然而其采用的溶膠凝膠法在制備過程中，負載金屬鹽的前軀體溶膠狀態會受超聲波時間和功率等條件的影響，進而影響干凝膠以及最終催化劑的性能，給產品的品質帶來了不確定性。且此專利主要應用在金屬空氣電極中，缺乏相關燃料電池陰極催化的應用實施例。中國發明申請CN201810124079公開說明書公開了一種用于全分解水的雙金屬氮化物納米線電催化劑，將鎳鹽、鉬酸鹽和表面活性劑三者溶于去離子水與多元醇的混合溶劑中，超聲分散均勻，加入襯底材料泡沫鎳后進行溶劑熱反應，得到的反應物前驅體材料(NiMoO納米線)，然后通入氨氣，高溫氮化，制得雙金屬氮化物材料。該方法得到的雙金屬(NiMo)氮化物納米線材料，降低了電催化全分解水的過電勢和Tafel斜率。然而其采用的溶劑熱法仍舊需要高溫高壓的反應條件，以及表面活性劑的加入，增加了生產的工藝成本。

發明內容

針對現有技術中非貴金屬電催化劑反應工藝復雜等的問題，本發明提供一種簡單、低成本制備可應用于堿性電解質的電催化劑。

本發明包括以下步驟：

一種碳載雙金屬氮化物電催化劑的制備方法，包括以下步驟：

(1)將鈷鹽、鋅鹽以及碳載體溶于溶劑中，得混合物A；將混合物A超聲分散均勻，制得混合溶液B；

(2)將混合溶液B于10～40℃下恒溫攪拌反應時間0.5～2小時；

(3)將步驟(2)反應結束后的溶液升溫，蒸干溶劑，得產物C；

(4)將產物C于真空條件下在10～40℃處理8～12小時，得產物D；

(5)將產物D在氨氣氣氛下，于400℃～900℃，處理1小時～5小時；，隨后自然降溫，制得所述的碳載雙金屬氮化物材料；

所述步驟(1)中：

鈷鹽和鋅鹽的摩爾比為x:y；所述x與y的摩爾比為0.5～5:1；

混合物A中鈷鹽的濃度為12mg/mL～30mg/mL；

所述碳載體相對于Co_xZn_yN的質量分數為0～100％。