[发明专利]一种配位型高效复合电催化材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种配位型的高效复合催化材料的合成方法，包括A、掺氮配位前驱体的合成，B、准备制孔剂，C、复合催化材料制备，D、热解处理；利用本专利中的方法，则能得到一种配位型的高效非贵金属氧还原电催化剂，使其比表面积增加，并能暴露更多的活性位点以及过渡金属与氮之间的相互作用，从而使其催化性能和稳定性实现明显提高。本发明可以显著降低燃料电池成本，延长其使用寿命。

1.技术领域

本发明属于一种配位型的高效复合电催化材料制备方法的技术领域，提供了一种简单新颖的通过辅助配位法制备非贵金属催化剂的方法及其作为燃料电池阴极催化剂的应用技术。

2.背景技术

能源与社会进步、经济的发展息息相关，人类对能源的每一次利用都将伴随着科技的进步以及生产力的发展。在面临目前环境污染和能源短缺等问题，人们正在积极寻找一种有效的替代能源。燃料电池作为一种直接将化学能转化为电能的装置，因其环境友好和较高的能量密度，被认为是最具前途、最有竞争力、最有可能实现产业化应用的燃料电池(Shao，M.；Chang，Q.；Dodelet，J.P.；Chenitz，R.Recent Advances in Electrocatalystsfor Oxygen Reduction Reaction.Chem.Rev.2016，116，3594-3657.)，引起了研究者的广泛关注。但由于燃料电池阴极氧还原反应动力学缓慢(Chen，Z.；Higgins，D.；Yu，A.；Zhang，L.；Zhang，J.A Review on Non-Precious Metal Electrocatalysts for PEM FuelCells.Energy Environ.Sci.2011，4，3167-3192.)，目前催化活性最高和最常用的ORR催化剂是Pt或Pt基催化剂；然而Pt价格昂贵、资源匮乏，大大增加了燃料电池的成本。因此，研究和开发新型高性能非贵金属催化剂(Gorlin，Y.；Chung，C.-J.；Nordlund，D.；Clemens，B.M.；Jaramillo，T.F.Mn3O4 Supported on Glassy Carbon：An Active Non-PreciousMetal Catalyst for the Oxygen Reduction Reaction.ACS Catal.2012，2，2687-2694.)，具有重要的应用价值和科学意义。

新型燃料电池催化剂的开发主要有两方面：一是减少铂用量，提高催化剂的活性和稳定性；二是研发非贵金属(Hu，Y.；Jensen，J.O.；Zhang，W.；Cleemann，L.N.；Xing，W.；Bjerrum，N.J.；Li，Q.Hollow Spheres of Iron Carbide NanoparticlesEncased inGraphitic Layers as Oxygen Reduction Catalysts.Angew.Chem.，Int.Ed.2014，53，3675-3679.)或无金属催化剂。配位型非贵金属氧还原催化剂由于其特殊的结构形态，使得金属原子与氮之间具有很好的协调效应，这种相互作用有利于提高催化剂的稳定性和电化学活性(Wen-Jie Jiang，Lin Gu，Li Li，Yun Zhang，Xing Zhang，Lin-Juan Zhang，Jian-Qiang Wang，Jin-Song Hu，Zidong Wei，and Li-Jun Wan，J.Am.Chem.Soc，2016，138，3570-3578)。同时，中国专利CN10657921A报道的一种以纳米碳颗粒负载含氮芳族化合物与过渡金属复合物，形成了过渡金属与氮之间的配位，从而表现出很好的氧还原活性。

本发明的目的是提出一种通过辅助配位法制备具有高效催化活性的非贵金属氧还原催化剂的制备方法，与现有技术相比，本发明中催化材料的合成方法简单，易操作，对设备要求低，重现性强；在使用制孔剂的情况下，实现了催化材料形貌的多样化，对催化剂活性位点的形成起到了很大的作用。利用这种方法制得的样品避免了氮元素的重新引入，同时由于配体中氮元素的掺杂以及与金属间的协同效应使催化剂具有良好的电催化活性。

3发明内容