[發明專利]M-N-C碳氣凝膠電催化劑的制備方法

在審

• 申請號: 202210020822.0
• 申請日: 2022-01-10
• 公開（公告）號: CN114392761A
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 吳曉棟;盧嘉欣;沈曉冬;崔升;丁潔
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/00;B01J35/10;B01J37/02;B01J37/03;B01J37/08;C25B11/091;H01M4/90
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 徐冬濤

本發明涉及一種M?N?C碳氣凝膠電催化劑的制備方法。通過引入碳酸鈉催化劑發生酚醛反應，采用溶膠?凝膠法結合超臨界干燥工藝、浸漬法和高溫熱處理制備出一種M?N?C氣凝膠電催化劑。本發明制備出的氣凝膠材料具有優異的電催化性能、低密度、高比表、節能環保等特性，對實現氣凝膠材料在電解水、電催化、燃料電池及節能環保等領域的應用具備積極的生產意義。

技術領域

本發明屬于氣凝膠材料的制備工藝領域，具體涉及一種采用溶膠-凝膠法結合超臨界干燥工藝制備一種M-N-C碳氣凝膠電催化劑的方法。

背景技術

為了有效地緩解傳統化石燃料燃燒而導致的能源危機和環境惡化問題，滿足現代社會的能源需求，尋求可持續、清潔和高效率的能源生產尤為重要，這就促使了燃料電池、金屬-空氣電池、水分解等可持續能源轉換和存儲技術的發展。電解水是一種高效的可持續生成氫的途徑，被認為是未來可再生能源生產、儲存和使用的有效方法。電解水由兩個半反應組成，分別是陰極析氫反應(HER)和陽極析氧反應(OER)。OER是四電子轉移過程，其機理非常復雜，反應動力學緩慢，過電位高，這是限制電解水效率的重要因素，因此設計和合成高效OER催化劑是提高電解水能效的關鍵。當前電催化領域研究較多的有過渡金屬氧化物、鈣鈦礦氧化物、層狀雙氫氧化物、尖晶石型半導體氧化物等材料，這在優化催化劑組成和結構方面做出了很大的突破。Ji等用硫調制NiFe化合物，制備了N/S共摻雜石墨烯S-Ni₃FeN/NSG，這種催化劑具有豐富的活性中心和二維片狀結構，是優異的雙功能氧電催化劑，ORR反應的半波電位為0.87V，OER反應在電流密度10mA cm^-2時的過電位為0.26V。(AngewandteChemie-International Eition,2020.59(26).)。Li等用鈷摻雜修飾了Cu₇S₄納米盤，制備了成本低、穩定性好、環境友好的電催化劑，OER反應在電流密度10mA cm^-2時的過電位為0.27V，有利于電催化劑的活性位點與電極之間的電子轉移。(ACS Nano,2017,11,(12).)。但在實現高效傳質和提高整體催化性能方面，仍然存在著一些不足，例如金屬價格昂貴、比表面積小，活性位點少、傳質效率低等。

氣凝膠是一種三維納米多孔結構的輕質材料，具有高比表面積、高孔隙率、低密度、低介電常數等優異性能。在熱學、光學、聲學、微電子、催化、航空航天和節能建筑等領域的應用前景十分廣闊。因此，采用可導電氣凝膠作為電催化材料，利用氣凝膠材料的高比表面積，可以提升電催化性能。可導電的氣凝膠有：碳氣凝膠、石墨烯氣凝膠和金屬氣凝膠。其中，碳氣凝膠是具有高比表面積、高孔隙率、強耐腐蝕性、低密度、低電阻系數和穩定性較好的網絡結構，是催化劑載體的最佳材料和高效高能電容器的理想材料之一。為了增加催化活性位點，進一步提高電催化性能，選擇將非金屬氮摻雜入碳氣凝膠中，摻入的氮可以提供豐富的結構缺陷和活性位點，并在碳原子周圍產生局域電子態，成為明確的催化活性位。再摻入金屬元素，孤立的金屬單原子與周圍的氮原子形成M-N配位有效電子耦合，電子耦合能夠顯著地調整電子結構和中間產物的吸附能，從而促進電化學反應的動力學。因此，將非金屬元素和金屬元素摻雜入碳氣凝膠中形成M-N-C氣凝膠大大提高了催化劑的電催化活性，達到更好的催化效果。

發明內容

本發明將采用溶膠—凝膠法結合超臨界干燥工藝、浸漬滲透法和高溫熱處理合成M-N-C氣凝膠，目的是為了改進現有技術存在的不足而提供一種M-N-C氣凝膠電催化劑的制備方法，該方法原料和工藝簡單，耗能低，結構可控，制備出的氣凝膠材料具備低密度、高比表、高電催化等特性，對實現氣凝膠材料在電解水、燃料電池及節能環保等領域的應用具備積極的生產意義。

本發明的技術方案為：一種M-N-C氣凝膠電催化劑的制備方法，其具體步驟如下：

(1)將去離子水、酚、醛、含氮化合物均勻混合后攪拌，得到溶膠體系；

(2)將碳酸鈉加入到步驟(1)中得到的溶膠體系中攪拌，得到氮摻雜的濕凝膠；