[发明专利]一种碳基氧还原催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开一种碳基氧还原催化剂及其制备方法与应用。方法包括：将生物质在空气中进行预氧化，预氧化所得产物与造孔剂、催化剂均匀混合，得到混合物；在惰性气体保护条件下将上述混合物进行炭化，炭化后冷却至室温，然后用酸除去炭化产物中的造孔剂产物与催化剂产物，再洗涤数次，干燥，得到生物质基活性炭；对生物质基活性炭进行等离子体处理，即得到碳基氧还原催化剂。与现有技术相比，本发明具有以下优点：碳基氧还原催化剂具有沟槽及孔刻蚀的形貌，比表面积高达1800m²·g^‑1，同时具备微孔和介孔性质。所制备的碳基氧还原催化剂的氧还原性能符合四电子途径，具有更好的初始电位和极限电流密度，是一种高效碳基氧还原催化剂。

技术领域

本发明涉及电化学能源领域，尤其涉及一种碳基氧还原催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

能源短缺、环境污染与资源匮乏是当今人类社会面临的最主要挑战，开发可持续清洁能源以及先进的能源储存技术为解决这些问题提供了很好的途径。电池作为一种能量储存和输出装置，具有重要的研究意义。其中，燃料电池、金属-空气电池作为一种绿色能源，具有无毒、无污染、放电电压平稳、高比能量、储存寿命长等优点，使其成为发展潜力不可估量的新一代电池。氧还原反应是燃料电池、金属-空气电池等能源转化系统中的重要电极反应，然而阴极缓慢的氧还原反应成为制约其发展的关键因素。寻找合适的阴极催化剂，能有效改善燃料电池、金属-空气电池的充放电性能和可逆性，从而提高电池的阴极性能。常用的催化剂主要分为三类：第一类是碳材料和碳作为载体负载的贵金属催化剂（Pt、Pd等）；第二类是金属氧化物催化剂，如二氧化锰、氧化铁、四氧化三铁、氧化铜等；第三类是钙钛矿类的多金属催化剂。其中，碳载铂及铂合金催化剂是性能最好、使用最广泛的氧还原催化剂，但其高价格、低储量制约燃料电池、金属-空气电池商业化进程。开发低价、高效的非贵金属氧还原催化剂已成为燃料电池、金属-空气电池发展的迫切任务。近年的研究表明碳材料，特别是以生物质为原料制备的碳材料具有一系列的优点，有望成为一种优秀的铂催化剂的替代品，然而目前碳材料的催化活性仍然不高。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳基氧还原催化剂及其制备方法与应用，旨在解决现有以生物质为原料制备的碳材料的催化活性不高的问题。

本发明的技术方案如下：

一种碳基氧还原催化剂的制备方法，其中，包括：

步骤A、将生物质在空气中进行预氧化，预氧化所得产物与造孔剂、催化剂均匀混合，得到混合物；

步骤B、在惰性气体保护条件下将上述混合物进行炭化，炭化后冷却至室温，然后用酸除去炭化产物中的造孔剂产物与催化剂产物，再洗涤数次，干燥，得到生物质基活性炭；

步骤C、对生物质基活性炭进行等离子体处理，即得到碳基氧还原催化剂。

所述的碳基氧还原催化剂的制备方法，其中，所述步骤A中，预氧化的条件为：温度在200~300℃，时间在1~5h。

所述的碳基氧还原催化剂的制备方法，其中，所述步骤A中，所述造孔剂为氯化锌、氢氧化钾中的一种；所述催化剂为氯化铁、硝酸铁中的一种。

所述的碳基氧还原催化剂的制备方法，其中，所述步骤A中，预氧化所得产物与造孔剂、催化剂均匀混合的质量比为1:1:1~1:5:5。

所述的碳基氧还原催化剂的制备方法，其中，所述步骤B中，所述炭化的条件为：温度为600~900°C，时间为1~3h，升温速率为2~5°C/min。

所述的碳基氧还原催化剂的制备方法，其中，所述步骤B中，所述酸为硫酸溶液、盐酸溶液中的一种；所述干燥的条件为：温度为50~100°C，时间为6~24h。