[發明專利]一種具有等級孔結構的碳基催化劑及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110769817.5
• 申請日: 2021-07-06
• 公開（公告）號: CN113451592A
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 張銳明;吳佳為;孟子寒;龔聰文;唐浩林
• 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: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;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

本發明公開一種具有等級孔結構的碳材料及其制備方法和應用，通過使用P123軟模板膠束小球與2?甲基咪唑氫鍵自組裝，加入一定比例的硝酸鈷或硝酸鋅溶液后在40℃進行水熱反應，經離心烘干后進行碳化處理，P123在碳化過程中分解揮發，最終形成了微孔?介孔復合的等級孔結構的碳基催化劑。制得的催化劑具有優異的催化性能，將其作為催化劑組裝的鋅空電池以及質子交換膜燃料電池均具有良好的性能，適合推廣應用。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，具體涉及一種具有等級孔結構的碳基催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

近年來，化石燃料的過度使用使得環境問題逐漸成為人們關注的焦點，科研工作者也越來越多的致力于研發環保、節能的清潔能源。質子交換膜燃料電池以及鋅空電池具有高比能量、高效率、低污染的特點，被認為是兩種非常有前景的新能源并逐漸受到科研單位的重視。但是兩種電池使用的都是貴金屬催化劑來加快其電化學反應速度，因此成本較高。正因如此，兩種電池都需要一種高效而廉價的催化劑來加速其商業化進程。

MOF 材料（金屬-有機骨架材料）是一種由金屬活性中心與有機配體配位自組裝而形成的有機物，它在催化、氣體儲存和分離、傳感、用作載體等領域均有廣泛的應用。MOF材料前驅體內存在氮源及金屬源，因此經碳化處理后可作為過渡金屬-氮-碳催化劑。通過控制組成及制備工藝，我們可以得到多種多樣的MOF 衍生的催化劑材料。雖然MOF 材料本身具有眾多的優勢，但采用直接碳化MOF材料的方法制備的多孔碳基催化劑的催化性能不是很理想，與商業Pt/C 相比差距還是較大。

一篇公開號為CN 109950555 A的中國發明專利申請公開一種鈷@四氧化三鈷納米粒子嵌入氮摻雜碳納米管材料及其制備方法和應用，該制備方法包括：1）將鈷源、P123、氮源和溶劑進行混合制得前驅體溶液，接著將前驅體溶液中溶劑去除以得到混合物；其中，鈷源選自六水合硝酸鈷、草酸鈷和氯化鈷中的至少一者，溶劑選自去離子水、乙醇和甲醇中的至少一者，氮源選自三聚氰胺、尿素和2-甲基咪唑中的至少一者。2）將混合物研磨得到粉狀物，接著將粉狀物在保護氣的存在下進行煅燒以制得Co@Co3O4納米粒子嵌入氮摻雜碳納米管材料。該制備方法成本低廉、工藝簡單、打破常規負載形式制得形貌均勻并且可控、顆粒分散度更高的Co@Co3O4納米粒子嵌入氮摻雜碳納米管材料，進而使得該Co@Co3O4納米粒子嵌入氮摻雜碳納米管材料能夠作為燃料電池陰極催化劑使用。

然而，現有的這種MOF衍生的催化劑在孔結構上并沒有深入研究，尤其是微孔復合介孔的結構。

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催化活性優異且具有微孔復合介孔結構的等級孔結構碳基催化劑及其制備方法和應用。

為達到以上目的，本發明采用如下技術方案。

一種具有等級孔結構的碳基催化劑制備方法，其特征在于，包括以下步驟：1）將P123溶解于去離子水中形成澄清溶液，隨后將2-甲基咪唑溶解于去離子水中并倒入上述澄清溶液中攪拌反應，得到混合溶液A；2）將過渡金屬硝酸鹽溶解于去離子水中后加入上述混合溶液A中攪拌反應一段時間得到混合溶液B，隨后將混合溶液B倒入聚四氟乙烯反應釜并于40±5℃保溫反應24 ±4h；3）將步驟 2）中的反應產物進行離心、清洗，隨后放入真空干燥箱于60 ±5℃條件下烘干；4）在惰性氣體保護下，將步驟 3）中所得烘干產物進行高溫碳化處理，即得具有等級孔結構的碳基催化劑。

更為優選的是，在步驟1）中，所述P123與所述2-甲基咪唑的質量比為1：5-10 。

更為優選的是，在步驟1）中，P123溶解于去離子水中后通過水浴加熱的方式形成澄清溶液，水浴溫度為40±5℃。

更為優選的是，在步驟1）中，2-甲基咪唑與P123的攪拌反應時長為6-12h。

更為優選的是，在步驟2）中，所述過渡金屬硝酸鹽為按比例混合的六水硝酸鈷和六水硝酸鋅，六水硝酸鈷和六水硝酸鋅摩爾比為0：1~1：1。