[发明专利]一种基于铁酸盐@壳聚糖希夫碱碳材料催化剂的制备

说明书

本发明的目的，提供一种具有优异的催化活性和良好稳定性的非Pt基催化剂。以铁酸盐为核，壳聚糖为主要碳源和氮源，通过先将壳聚糖包覆在铁酸盐上，进而通过将包覆铁酸盐的壳聚糖和水杨醛衍生物反应制得壳聚糖希夫碱包覆的铁酸盐磁性材料，然后使壳聚糖希夫碱包覆的铁酸盐和过渡金属盐进行金属离子配位，最后在氮气保护下高温焙烧制得。并将其用于ORR催化剂，本发明催化剂具有优异的催化活性和良好稳定性。

技术领域

本发明涉及燃料电池的新型非铂金属催化剂领域，特别是涉及一种基于铁酸盐@壳聚糖希夫碱碳材料催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种新型的清洁能源装置，其阴极发生氧还原反应(ORR)。ORR因速率较慢，成为了决定燃料电池整体效率的关键步骤。因此，开发ORR催化剂成为燃料电池研究的热点。

商用活性最好的ORR催化剂是贵金属铂基催化剂。无论是碱性还是酸性条件下，贵金属铂(Pt)都具有优良的电催化活性。但是，金属铂储量低、成本高，且在实验中易受甲醇毒化，化学稳定性差，限制了其大规模应用。因此，开发非贵金属基催化剂对催化ORR反应具有非常重要的意义。

非贵金属催化剂通常由各种碳基材料，如石墨、石墨烯、碳纳米管和有序介孔碳组成。为提高碳材料的活性，研究者通过掺入如B、N、S、P等异质原子来改善这些碳材料的固有性质。碳材料虽然具有独特的优势，但是直接作为催化剂，让其替代Pt基催化剂，其性能还需进一步研究提高。

发明内容

本发明的目的，提供一种具有优异的催化活性和良好稳定性的非Pt基催化剂。

本发明提供的催化剂，以铁酸盐为核，壳聚糖为主要碳源和氮源，通过先将壳聚糖包覆在铁酸盐上，进而通过将包覆铁酸盐的壳聚糖和水杨醛衍生物反应制得壳聚糖希夫碱包覆的铁酸盐磁性材料，然后使壳聚糖希夫碱包覆的铁酸盐和过渡金属盐进行金属离子配位，最后在氮气保护下高温焙烧制得。

本发明所述的催化剂，所述铁酸盐结构为MFe₂O₄，其中M＝Fe,Co,Ni,Cu或Zn。

本发明所述的催化剂，所述水杨醛衍生物为：5-硝基水杨醛，水杨醛肟，5-溴水杨醛，3,5-二叔丁基水杨醛，水杨醛亚胺，水杨醛腙，4-溴水杨醛的一种或几种。

本发明所述的催化剂，所述过渡金属盐为铁、钴、镍、锰的氯化物或硝酸盐。

本发明所述的催化剂，所述壳聚糖和铁酸盐的质量比优选为1:10。

本发明所述的催化剂，所述包覆铁酸盐的壳聚糖和和水杨醛衍生物的质量比为1：10。

本发明所述的催化剂，所述壳聚糖希夫碱包覆的铁酸盐与过渡金属盐质量比为1：10。

本发明所述的催化剂所述氮气保护下高温优选500-1000℃。

本发明所述的催化剂用于碱性介质中电催化阴极氧还原反应中。

本发明还进一步包括催化剂的具体制备方法如下：

(1)铁酸盐@壳聚糖的制备：壳聚糖溶解于5％的乙酸溶液，超声至溶解，形成原液待用，将铁酸盐分散于上述原液，稀释，搅拌，并调节pH值至中性，待泡沫消失后，离心洗涤，真空干燥。

(2)铁酸盐@壳聚糖水杨醛希夫碱的制备：将上述铁酸盐@壳聚糖和水杨醛衍生物加入乙醇混合搅拌，恒温下回流，离心洗涤，真空干燥。

(3)铁酸盐@壳聚糖水杨醛希夫碱配合物的制备：称取铁酸盐@壳聚糖水杨希醛夫碱和过渡金属盐于乙醇溶液，氮气气氛下恒温回流，过滤洗涤，并真空干燥。

(4)催化剂的制备：将上述所得样品置于管式炉中，高温焙烧，即得目标催化剂。