[发明专利]一种具有ORR催化性能的催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于催化剂技术领域，公开了一种具有ORR催化性能的催化剂及其制备方法，以萘等芳香小分子化合物为前驱体，通过傅‑克反应实现自组装，构建多级孔结构前驱体，再通过掺杂，热处理等过程得到性能优异的碳基ORR催化剂。本发明采用萘为前驱体，以四氯化碳为烷基化试剂，通过傅‑克烷基化反应实现多级孔结构的自组装简易制备；通过掺杂，热处理等过程得到最终的碳基催化剂。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，尤其涉及一种具有ORR催化性能的催化剂及其制备方法。

背景技术

伴随着化石能源的大规模开发与使用，人类社会得到了迅猛的发展，但与此同时，大量使用化石能源也给人类社会的进一步可持续发展带来了一系列的问题：一方面，过度地依赖化石能源急剧减少了不可再生的化石能源的整体储量，使得化石能源价格上涨，导致能源危机；另一方面，大量消耗化石能源也导致了非常严重的环境问题，如温度效应，雾霾，酸雨等，破坏了人类赖以生存的自然环境。仅以我国的机动车行业为例，2012年，全国机动车污染物排放量就高达4612.1万吨，其中包含一氧化碳(CO)3471.7万吨、碳氢化合物(HC)438.2万吨、氮氧化物(NOx)640万吨、颗粒物(PM)62.2万吨。机动车尾气排放已成为城市大气污染最主要的来源之一。2012年，我国汽车保有量已达到1.08亿辆，随着生活水平的提高，汽车的保有量也必将持续增长，据业内人士估计，至2020年我国的汽车保有量就可超过美国，达到2.4亿辆以上。伴随着机动车数量的增长，机动车燃油消费量及污染物排放量无疑也必将持续攀升。在过去人们相继开发了大量的绿色环保的新型能源系统，如：质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)，直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cell,DMFC)，金属-空气电池(metal-air batteries)等。在这些新型能源系统中，氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)是一个核心过程，其反应速率的快慢直接决定着这些新型能源系统的性能。由于ORR动力学过程缓慢，因此，高效的ORR催化剂对于这些新型能源系统至关重要。目前，金属铂(Pt)仍然是最好的ORR催化剂。然而，Pt作为一种贵金属，在地球上的储量有限，价格高昂，使得这些新型能源系统的成本一直居高不下，严重阻碍了它们的大规模商业应用。在现在已经得到的非贵金属ORR催化剂中，碳催化剂具有较高的催化性能，同时，碳还具有稳定性好，价格低廉，来源广泛等特点受到了全世界科研工作者的广泛关注，成为新能源领域最为热门的研究课题之一。对于碳催化剂的催化性能而言，其所具有的多孔结构至关重要。大孔与介孔有利于改善催化过程中的传质过程，却不利于增加催化剂中的活性中心数量，而微孔有利于提升催化剂的比表面积进而增加催化活性中心数，却不利于催化过程中的传质。而多级孔结构就可以很好地解决碳催化剂比表面积与传质之间的矛盾：多级孔结构中的大孔与介孔结构可以为ORR提供大量的孔道，改善反应过程中的传质过程，同时在大孔与介孔的孔壁上存在的大量微孔又可以为ORR提供大量暴露的活性位点。目前为止，多级孔碳材料一般是通过模板法(包括软模板法与硬模板法)或者活化法制备得到，但不论是哪一种办法，都需要有专门的造孔步骤，比如：模板法通常需要构建一些特殊的纳米结构(软模板法)或者去除模板，而活化法则通常需要有一个活化的过程。这些额外的造孔程序一方面会使得多级孔碳材料的制备过程变得非常繁杂，极大地增加多级孔结构碳材料的制备成本；另一方面，由于在去除模板时需要用到大量的氢氟酸、强碱(如氢氧化钠等)等污染物，造成潜在的环境问题，如水体污染、土壤污染等。因此，开发不包含任何额外造孔步骤的自组装方法将是得到多级孔碳材料的一种非常有吸引力的制备方法。

综上所述，现有技术存在的问题是：多级孔碳材料制备方法存在：制备过程繁杂，极大地增加多级孔结构碳材料的制备成本；造成潜在的环境问题。

发明内容

针对现有ORR催化剂及多级孔碳材料制备技术存在的问题，本发明提供了一种具有高性能的碳催化剂及其制备方法。