[發明專利]一種多孔異質結構催化材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202110682424.0
• 申請日: 2021-06-18
• 公開（公告）號: CN113371687A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 張銳明;夏雁楠;王銳;龔聰文
• 申請（專利權）人: 廣東省武理工氫能產業技術研究院
• 主分類號: C01B21/00
• 分類號: C01B21/00;H01M4/90
• 代理公司: 佛山東平知識產權事務所(普通合伙) 44307
• 代理人: 龍孟華

本發明公開一種多孔異質結構催化材料及其制備方法，該方法通過使用作為氮源的2?甲基咪唑充當基質，添加適量金屬源后，再將蒸發誘導自組裝后的混合物進行碳化處理，碳化過程中金屬原子與2?甲基咪唑結合成鍵，分解揮發，最終形成具有純凈組成及異質結構的雙金屬氮化物結構，上述金屬源為鐵鹽、鎳鹽按任意比例的混合物。本發明無需有機溶劑，并且，氮源、金屬源的添加以及異質結構使得該材料比表面積大、穩定性好、電化學活性優良、導電性好，尤其適用于快速批量合成，在電化學催化領域適合推廣應用。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，具體涉及一種多孔異質結構催化材料及其制備方法。

背景技術

近年來，傳統化石燃料的過度消耗及引發的以嚴重霧霾為首的環境問題成為我國建設生態文明的一大阻礙。當今，以新型可持續能源大規模取代傳統能源是解決能源與環境污染的理想方案。燃料電池擁有高能量效率、高效率及環境友好性，成為新能源領域的焦點。以鉑為代表的貴金屬及其合金擁有高催化活性，作為燃料電池陰極的高效催化劑已被廣泛研究，并在商業上用于工作溫度接近室溫的質子交換膜燃料電池裝載的電動汽車上。然而，Pt等貴金屬昂貴且相對儲量低，限制了燃料電池產業的進一步發展。因此，亟需開發一種高效、廉價且易得的非貴金屬催化劑。

目前，過渡金屬-氮-碳材料因具有優異的氧還原催化活性及穩定性，被認為是當前最有潛力取代貴金屬催化劑的低成本催化材料。研究者們普遍認為，過渡金屬氮化物是過渡金屬-氮-碳材料的主要活性成分，但是單金屬氮化物材料由于本身導電性較差，金屬原子易團聚等，會導致其其催化活性不足。對此，業內也有人提出雙金屬結構的氮化物催化劑。

如一篇公開號為CN 107086313 A的中國發明專利申請公開一種鐵、鈷、氮共摻雜炭催化劑及其制備方法和應用，采用鐵/鈷雙金屬沸石咪唑酯骨架材料作為前驅體，通過高溫熱解制備得到鐵、鈷、氮共摻雜炭催化劑；其中，鐵/鈷雙金屬沸石咪唑酯骨架材料是在無氧環境下采用硫酸亞鐵、硝酸鈷和2-甲基咪唑在溶劑中進行自組裝反應制得。該發明制備的鐵、鈷、氮共摻雜炭催化劑雖然具有優于商業化Pt/C的氧氣還原催化活性、電化學穩定性以及抗甲醇中毒能力，但在制備過程中需要用到有機溶劑甲醇，并且鐵/鈷雙金屬沸石咪唑酯骨架材料的制備需要在無氧環境下進行，不利于推廣。

又如一篇公開號為CN 111203264 A的中國發明專利申請公開一種新型鐵-鎳-氮共摻雜碳催化劑，該催化劑先是以含三芳基咪唑苯胺衍生物( TPI-NH2 )進行氧化聚合反應獲得三芳基咪唑聚苯胺衍生聚合物( TPANI )；然后將三芳基咪唑聚苯胺衍生聚合物(TPANI )、鐵源、鎳源、三聚氰胺混合反應獲得TPANI/三聚氰胺/Ni-Fe混合物；最后將TPANI/三聚氰胺/Ni-Fe混合物在保護性氣體氛圍下進行熱處理后獲得鐵-鎳-氮共摻雜碳催化劑( NiFe/N-C )。該發明專利申請制得的鐵-鎳-氮共摻雜碳催化劑雖然也有較高的比較面積和豐富的孔隙結構，但同樣需要用到有機溶劑，并且制備流程復雜，投入原料、能源時間成本較高，難以量產，推廣潛力低。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種無需有機溶劑、便于推廣利用的多孔異質結構催化材料制備方法。

為達到以上目的，本發明采用如下技術方案。

一種多孔異質結構催化材料，其特征在于，按以下制備方法制得：以2-甲基咪唑作為基質，添加適量混合金屬源后采用蒸發誘導自組裝的方法制得粗產物，然后對粗產物進行碳化處理，碳化過程中金屬原子與2-甲基咪唑結合成鍵、分解揮發，最終得到多孔異質結構雙金屬氮化物催化劑。

更為優選的是，所述混合金屬源為鐵鹽、鎳鹽中的一種或幾種按任意比例的混合物。

更為優選的是，所述鐵鹽選自氯化鐵、硝酸鐵、草酸鐵中的一種或幾種，所述鎳鹽選自氯化鎳、硝酸鎳、草酸鎳中的一種或幾種。

更為優選的是，所述混合金屬源由鐵鹽和鎳鹽組成，所述2-甲基咪唑、所述鐵鹽、所述鎳鹽的摩爾比為1：2：0.2-1。