[發明專利]一種氮摻雜電催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110487514.4
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113224322B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 蔡稱心;胡耀娟;喬玲;潘永慧;周家興;吳萍
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;C01B32/15;B82Y30/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 孫斌

本發明公開了一種氮摻雜電催化劑及其制備方法和應用，該電催化劑是通過水熱法制備，包括以下步驟：(1)將GDY水溶液超聲處理獲得較小尺寸的石墨炔溶液；(2)將上述GDY溶液與含氮小分子溶液混合超聲，轉移至反應釜中水熱得到均一溶液；(3)將所得溶液透析冷凍干燥即可得到氮摻雜電催化劑。本發明制備方法簡單、成本低，量子點尺寸小從而具有較高的比表面積，氮元素的摻雜可以提高催化劑對氧氣的吸附能力，為堿性條件下的氧氣還原反應提供了豐富的活性位點，可以將其作為Pt基金屬催化劑的替代品進行工業化生產并推廣使用。

技術領域

本發明屬于電催化劑，具體涉及一種氮摻雜電催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

陰極氧還原反應(ORR)常被視為燃料電池性能的重要因素之一。目前，ORR催化劑普遍采用Pt或其他貴金屬作為氧還原的電催化劑，但Pt及其他貴金屬催化劑產量和資源儲備的有限性，繁瑣的制備工藝及昂貴的價格限制了此類催化劑的廣泛應用從而影響燃料電池的商業化發展。因此，開發一類高效、低成本且催化活性穩定的新型非貴金屬乃至非金屬陰極催化劑成為電催化領域研究人員關注的熱點之一。

研究表明，碳納米材料如碳納米管、石墨烯、多孔碳、石墨烯量子點等，經摻雜后發生分子內部電荷轉移，是設計高催化活性和穩定性的非金屬、碳基催化劑的有效途徑。目前研究也表明氮摻雜石墨炔錨定的單原子鐵催化劑對ORR的催化活性不弱于商業化Pt/C催化劑。相比于氮摻雜石墨炔錨定的單原子鐵催化劑，NGDQDs由于具有較高的比表面積因此可以提供豐富的活性位點，同時氮元素的摻雜可以改變催化劑的電子性能進而有利于提高對氧氣的吸附能力，因此有望成為一種新型高效的ORR電催化劑。但是目前NGDQDs電催化劑的合成步驟比較復雜，因此，發展一種制備工藝簡單、制作成本低且易于工業化生產的NGDQDs電催化劑的方法對于提高ORR催化活性和促進燃料電池的商業化發展具有重要意義。

發明內容

發明目的：針對現有技術存在的問題，本發明提供一種堿性條件下對ORR具有高催化活性及穩定性的氮摻雜電催化劑的制備方法，該催化劑是一種氮摻雜石墨炔量子點(NGDQDs)電催化劑，其制備方法主要涉及水熱法，該方法制備工藝簡單、成本低適于擴大化生產。

本發明還提供了所述制備方法所制備的氮摻雜電催化劑及其應用。

技術方案：為了實現上述目的，本發明所述一種氮摻雜的電催化劑的制備方法，包括以下步驟：

(1)將GDY(石墨炔)水溶液進行超聲處理，獲得小尺寸的GDY溶液；

(2)將步驟(1)得到GDY溶液與含氮小分子溶液混合超聲，并水熱反應；

(3)將水熱反應后的溶液透析，冷凍干燥即可得到氮摻雜電催化劑。其中，步驟(1)中所述GDY水溶液中GDY濃度為0.25-0.5mg/mL。

作為優選，步驟(1)中所述超聲時間為3-4h，超聲功率為400-600W。通過超聲將石墨炔小尺寸化，以利于后面處理得到尺寸均一的量子點，縮短后期超聲混合的時間以及降低水熱處理的溫度和時間。

其中，步驟(2)中所述GDY溶液與含氮小分子溶液的體積比為1:1-2:1。作為優選，所述GDY溶液與含氮小分子溶液的按體積比2:1進行混合超聲；

其中，步驟(3)中所述含氮小分子溶液為氨水、尿素溶液或者乙二胺溶液。所述氨水質量分數為28-30％、乙二胺溶液質量分數98％，尿素溶液濃度為1-2mg/mL。

其中，步驟(3)中所述混合超聲時間為0.5-1h，超聲功率為400-500W，水熱的溫度為180-200℃，時間為6-8h。

作為優選，水熱的溫度為180℃，時間為8h。

其中，步驟(3)中透析袋的截留分子量為500Da，透析3-5天。