[發明專利]一種氧還原復合催化劑及其制備方法

在審

• 申請號: 201910625313.9
• 申請日: 2019-07-11
• 公開（公告）號: CN110492112A
• 公開（公告）日: 2019-11-22
• 發明（設計）人: 李彥娟;閆霄;王敏;張玉;何偉;賈宏鵬
• 申請（專利權）人: 江蘇師范大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 32204 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)
• 代理人: 柏尚春<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發明公開了一種氧還原復合催化劑及其制備方法，該復合催化劑包括介孔中空碳球和過渡金屬氮化物，其中介孔中空碳球作為載體負載過渡金屬氮化物。該復合催化劑的制備方法包括以下步驟：(1)制備介孔中空碳球；(2)將過渡金屬硝酸鹽和步驟(1)中制備的介孔中空碳球混合，氧化后得到過渡金屬氧化物/碳材料；(3)將步驟(2)中得到的過渡金屬氧化物/碳材料在氨氣下進行熱處理，得到過渡金屬氮化物/碳材料氧還原復合催化劑。該氧還原復合催化劑具有中空空腔和介孔殼層結構，提高了催化劑負載量，暴露了更多的活性點，氧還原催化活性好，耐甲醇，制備原料來源廣泛、成本低廉，制備過程綠色無污染，在工業應用中具有廣泛前景。

技術領域

本發明涉及一種催化劑及其制備方法，更具體地，涉及一種氧還原復合催化劑及其制備方法。

背景技術

氧還原(ORR)被廣泛的應用于新能源領域，如燃料電池、鋅空電池等，氧還原反應是一個包含多個反應步驟的復雜反應，動力學相對較慢，在沒有催化劑的情況下反應緩慢。Pt/C在理想的條件下具有非常高的氧還原活性，包括比較正的起始電勢和半波電勢，以及較大的擴散極限電流，被認為是最有效的氧還原催化劑，但其儲量有限、價格昂貴、耐甲醇性能差。文獻號為CN106887608A的發明專利申請公開了一種利用空心碳球負載過渡金屬氧化物的低成本氧還原催化劑，該催化劑制備成本低，原料易得，制備方法簡便，具有一定的氧還原催化活性，但其催化性能和商業Pt/C相比還存在一定差距，且制備過程中用到有毒物質，不環保，使得該催化劑不便大規模生產。

發明內容

發明目的：本發明的目的是提供一種氧還原復合催化劑，該復合催化劑氧還原催化性能好、耐甲醇、成本低、制備過程綠色無毒。本發明的另一目的是提供該催化劑的制備方法。

技術方案：本發明所述一種氧還原復合催化劑，該催化劑包括介孔中空碳球和過渡金屬氮化物，其中介孔中空碳球作為載體負載過渡金屬氮化物。

其中，介孔中空碳球比表面積為800m²/g-1000m²/g，尺寸為100nm-200nm，便于負載活性物質，增大催化劑與氧氣的接觸面積。

其中，過渡金屬氮化物中過渡金屬為Fe、Co、Ni中的一種，其活潑性高，易于反應生成氮化物，催化活性高。

本發明所述一種氧還原復合催化劑的制備方法，包括以下步驟：

(1)制備介孔中空碳球；

(2)將過渡金屬硝酸鹽和步驟(1)中制備的介孔中空碳球混合，氧化后得到碳材料負載過渡金屬氧化物；

(3)將步驟(2)中得到的過渡金屬氧化物/碳材料在氨氣下進行熱處理，得到碳材料負載過渡金屬氮化物氧還原復合催化劑。

其中，步驟(2)中過渡金屬硝酸鹽和介孔中空碳球的質量比為1:1～2:1，在此范圍可以充分利用介孔中空碳球且不產生過渡金屬硝酸鹽的浪費。

其中，步驟(2)中氧化溫度為100℃～200℃，氧化時間為1.5h～2.5h，此范圍能夠在保證過渡金屬硝酸鹽氧化，得到碳材料負載過渡金屬氧化物的同時，不使碳材料發生氧化。

其中，步驟(3)中碳材料負載過渡金屬氧化物在氨氣下熱處理的溫度為450℃～800℃，熱處理的時間為2h-4h，此范圍能夠使碳材料負載過渡金屬氧化物反應生成碳材料負載過渡金屬氮化物氧還原復合催化劑，且不產生金屬單質。

有益效果：1、該復合催化劑活性位點多，氧還原催化活性好，其催化性能接近于商業Pt/C；2、耐甲醇；3、制備原料來源廣泛、成本低廉，其成本僅為商業Pt/C的0.2％；4、制備過程無毒無污染，綠色環保。

附圖說明

圖1是介孔中空碳球的掃描電鏡圖；