[发明专利]一种用于阴极反应的活性炭材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于阴极反应的催化剂，特别涉及一种用于燃料电池和金属-空气电池阴极反应的活性炭材料及制备方法。

背景技术

在燃料电池和金属-空气电池中，阴极氧气的还原反应(ORR)是整个反应的限速环节，决定着燃料电池和金属-空气电池的整体性能。目前，铂(Pt)及其合金因其具有良好的催化活性，为ORR最常见的电催化剂。但是Pt资源稀缺、价格昂贵，而且在直接甲醇燃料电池中，Pt还会受到甲醇的毒化作用而失去催化活性，这些弊端极大地阻碍了燃料电池和金属-空气电池的大规模应用。因此，开发能够代替铂基催化剂的材料是使燃料电池和金属-空气电池能够大规模商业化应用的一个关键问题。

在过去的几年中，因为杂原子掺杂的碳基材料具有高比表面积、良好的热稳定性和化学稳定性以及良好的导电性，所以大部分研究主要集中在杂原子掺杂的碳基材料上，例如氮或硼原子掺杂的各种碳纳米材料。研究发现，氮或硼原子掺杂的碳纳米管(CNT)和石墨烯具有很高的ORR催化活性，尤其是在碱性介质中，具有替代铂基催化剂的前景。但是，目前CNT和石墨烯的合成过程复杂、掺杂方法也具有极其严苛的条件，这些都使得掺杂碳纳米管和石墨烯的应用都十分有限。

与CNT和石墨烯相比，活性炭(AC)可以更容易且更廉价地从不同的原料中制得，而且活性炭基的催化剂拥有比其他碳材料高得多的比表面积，使其可以提供更多的活性位点来加速ORR。另外，由于AC中已经存在大量的缺陷，杂原子(如N)就可以更容易地掺杂到AC中，进而有利于ORR。理论上，其在规模化生产中可能成为一种很有前景的ORR电催化剂。但是目前所制得的活性炭基ORR催化剂与铂基的催化剂的性能相比，还有很大的差距，所以开发具有高活性的活性炭基ORR催化剂具有极大的理论和实际应用价值。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种用于阴极反应的缺陷活性炭材料，作为燃料电池和金属-空气电池阴极反应的催化剂，以替代当下昂贵的铂基催化剂以及制备方法复杂的掺杂石墨烯或碳纳米管等，解决现有技术中活性炭基催化剂性能不佳，不能被实际广泛应用的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种用于阴极反应的活性炭材料，为缺陷活性炭材料，是以活性炭为基础材料，将活性炭经过活化处理、氮掺杂处理，并于温度850-1150℃下煅烧1-5h进行脱氮处理后形成的，其中，所述缺陷活性炭材料的比表面积大于2000m²/g，孔径分布集中在1.0-1.5nm。

上述缺陷活性炭材料采用比表面积较大、廉价易得的活性炭作为基础材料，先将其进行活化处理，以进一步提高活性炭的比表面积和空隙性能，再进行氮原子的掺杂(上述技术都可以采用现有的成熟技术完成)，而后在一定的温度和气氛下进行脱氮处理，形成良好的空隙缺陷结构，使得活性炭材料具备了良好且稳定的催化性能。相比之下，如背景技术所述，本领域技术人员只是发现，杂原子掺杂的碳基材料，尤其是掺杂的纳米碳材料具有良好的电催化性能，所以一直尝试着各种掺杂原料及方式，可是CNT和石墨烯的合成过程复杂、掺杂方法也具有极其严苛的条件，因此实际应用十分有限，而活性炭经由杂原子掺杂却不能获得满足实际应用需求的阴极反应催化材料，所以虽然活性炭价格便宜，取材方便，制备方法简单，但是却一直未能获得本领域技术人员的青睐。本发明研究人员转换思维，采用先掺杂后去杂的新构思，开发出了具有高活性的活性炭基ORR催化剂，且适于工业化生产，使得替代铂基催化剂成为现实。

以及，本发明的另一目的在于提供一种用于阴极反应的活性炭材料的制备方法，从而获得能够取代现有铂基催化剂的缺陷活性炭材料，以解决现有技术中铂基催化剂造价成本高，且掺氮纳米碳材料制备方法复杂，难以用于工业化生产的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种用于阴极反应的活性炭材料的制备方法，包括以下步骤：

对活性炭进行活化处理，获得产物一；

将所述产物一置于氨气气氛中，于温度400-900℃下煅烧1-5h进行氮掺杂处理，获得产物二；

将所述产物二置于惰性气体气氛中，于温度850-1150℃下煅烧1-5h进行脱氮处理，获得缺陷活性炭材料。