[發明專利]一種金屬-空氣燃料電池催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 202110385196.0
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113178585B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 臧健;楊輝
• 申請（專利權）人: 常熟理工學院
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 鄒偉紅

本發明公開了一種含鈷氮氧絡合物修飾的納米碳材料及其制備方法。本發明首次以廉價的含鈷氮氧絡合物染料，利用π?π共軛鍵連的方法修飾納米碳材料，在碳材料表面暴露出大量分子結構明確的活性位點。制得的納米碳材料結構均勻且催化性能優異，在堿性介質中表現出極好的氧還原反應電催化活性和穩定性，可大規模應用于金屬?空氣燃料電池中。

技術領域

本發明屬于電化學催化及儲能材料技術領域，具體涉及一種含鈷氮氧絡合物修飾的納米碳材料（CoNOC-BP）催化劑。

背景技術

鉑（Pt）一直被認為是燃料電池中氧還原反應（ORR）的最有效催化劑。然而，基于Pt的ORR催化劑的稀缺性、高成本和長期穩定性差是燃料電池技術商業化的主要障礙。因此，開發出低成本、高活性、高穩定性的ORR非貴金屬催化劑對燃料電池大規模商業化意義重大。

目前常采用高溫熱解（400℃-1100℃）的方法來提高碳基非Pt金屬/氮（M-N_x）材料（MNC）催化劑的活性和穩定性。但是這種高溫熱解的方法極易破壞原先分子結構明確的前驅體化合物，導致最終的催化劑為多種分子結構混雜的材料，不易分辨其主要活性成分，所以這種MNC催化劑的活性位點至今仍存在爭議。加上這種高溫熱解的生產工藝一般步驟比較繁瑣冗長，消耗能量巨大，標準化宏量制備更是比較困難，這些因素都大大阻礙了非貴金屬催化劑燃料電池的商業化運行和發展。

發明內容

本發明目的在于提供一種含鈷氮氧絡合物修飾的納米碳材料及其制備方法，用于解決非貴金屬催化劑普遍活性不高、活性位點分子結構不明確、不能宏量制備等問題，從而實現非貴金屬催化劑用于金屬-空氣燃料電池的產業化和規模應用。

為實現上述目的，本發明提供一種含鈷氮氧絡合物修飾的納米碳材料及其制備方法，至少包括以下步驟：

（1）將含鈷氮氧絡合物染料溶液加入納米碳材料懸浮液中，攪拌下進行“一鍋法”反應；

（2）將上述反應完后的產物進行過濾后真空干燥，得到所述含鈷氮氧絡合物修飾的納米碳材料即催化劑CoNOC-BP。

優選地，步驟（1）中，含鈷氮氧絡合物染料的分子結構式如下式所示：

。

優選地，步驟（1）中，含鈷氮氧絡合物染料溶液的濃度為1~10 g L^-1。

優選地，步驟（1）中，納米碳材料為BP2000、XC-72R、ECP600、石墨烯中的任意一種。

優選地，步驟（1）中，含鈷氮氧絡合物染料與納米碳材料的質量比為1%~15%，反應溫度為40~80℃，反應時間為1~3 h。

優選地，步驟（2）中，真空干燥溫度為50℃~80℃；時間為2 h~12 h。

本發明的另外一個方面提供了含鈷氮氧絡合物修飾的納米碳材料（CoNOC-BP）作為鋅-空燃料電池催化劑的用途。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

（1）本發明首次采用市售廉價的含鈷氮氧絡合物染料來修飾常規納米碳材料，利用“一鍋法”反應制備π-π共軛化學吸附鍵連的納米碳材料催化劑CoNOC-BP。這種化學功能修飾后的納米碳材料應用于鋅-空燃料電池中，有接近于鉑基催化劑的性能，并且這種含鈷氮氧化合物和納米碳材料市場便宜易得，極易進行標準化的宏量制備，可以解決燃料電池催化劑昂貴的運行成本。

（2）本發明制備方法簡單，原料常規易得，催化劑活性位點分子結構完整明確且催化性能優異，在堿性介質下表現出極好的氧還原反應(ORR)電催化活性和穩定性，達到了目前催化劑的領先水平；整個工藝簡單可靠且適合宏量化制備等特點，未來有可能替代鉑基貴金屬催化劑應用于金屬-空氣燃料電池等領域。

附圖說明