[发明专利]一种氮掺杂碳球氧还原催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明公开一种氮掺杂碳球高效的氧化原(ORR)催化剂(N/Cs)及其制备方法。首先，通过3,6‑双(3,5‑二甲基吡唑)‑1,2,4,5‑四嗪合成3,6‑二吲哚基‑1,2,4,5‑四嗪(TId)。再将TId作为单体，甲撑二甲醚作为交联剂，质子酸甲烷磺酸作为催化剂，通过Friedel‑Crafts反应合成交联聚合物球，并将此聚合物球高温热解所得碳球材料作为非金属氧还原催化剂。该催化剂具有较好的ORR催化性能、抗甲醇性能和稳定性。另外，该催化剂的优点在于整个催化剂合成过程中不使用任何的金属前驱体，可以完全排除金属残留物对N/Cs催化剂的影响。

技术领域

本发明涉及一种氧还原催化剂及其制备方法具体涉及一种氮掺杂碳球氧还原催化剂及其制备方法，属于燃料电池科学技术领域。

背景技术

由于燃料电池能直接将化学能转化为电能，其过程不受卡若循环的限制，转化效率较高，近年来一直备受科研工作者的青睐。然而，尽管燃料电池能产生高效且清洁的绿色能源，但其阴极缓慢的氧还原反应(ORR)的Pt及Pt基催化剂因其成本高、稳定性差和抗甲醇性能差阻碍了燃料电池的大规模商业化生产。近年来，设计和合成高性能的ORR催化剂成为了科研工作者的研究热点。一般来讲，最理想的ORR催化剂应该具有以下特点：较高的比表面积以至于暴露催化剂的活性位点，较好的导电性有利于电子转移，分级多孔结构有利于质子高效传输，较好的稳定性有利于延长使用寿命，制备过程简单有利于大规模生产。从催化剂设计的角度来看，氮掺杂碳(N/C)材料具有以上特点。目前，制备N/C催化剂主要是通过后掺杂和直接热解方法。后掺杂主要是先直接热解碳基质(如：碳纳米管、石墨烯和多孔碳)，再掺入N原子从而制备N/C催化剂。该催化剂与商业Pt基催化剂相比，由于掺入N原子不均匀等原因，使得催化效率低。而通过直接热解含有N原子和C原子的前驱体(如聚酰胺、聚吡咯、聚丙烯腈等)，该方法由于N原子能均与的分布于前驱体中，能更好的合成高效的ORR催化剂。

高表面积和高孔隙率有助于暴露N/C催化剂活性位点，目前，一般采用硬模板和多孔有机聚合物基前驱体来制备N/C催化剂。硬模板法能通过控制孔结构来制备相应的催化剂，但是制备和去除硬模板的过程比较繁琐，这限制了该方法的实际应用。而采用多孔有机聚合物基前驱体来制备的N/C催化剂，具有高表面积和高孔隙率及N原子分布均匀等优点。目前为止，各种形貌结构(如：管、纤维、片、盒子和球状)的N/C催化剂已被成功合成。而多孔球状的N/Cs催化剂由于其高表面积和孔隙率有助于ORR活性位点的充分暴露和质子传输从而广受关注。

发明内容

本发明提供一种简单的方法通过直接热解四嗪基聚吲哚聚合物球来制备N/Cs催化剂。首先，3,6-二吲哚基-1,2,4,5-四嗪在甲烷磺酸的催化下合成了四嗪基聚吲哚，然后直接热解该聚合物，该方法的优点在于没有引入任何金属前驱体，因此N/Cs催化剂可以排除任何微量金属的影响。另外，该催化剂具有优异的ORR催化性能、抗甲醇性能和稳定性。

根据本发明提供的第一种实施方案，提供一种氮掺杂碳球氧还原催化剂。

一种氮掺杂碳球氧还原催化剂，该氮掺杂碳球氧还原催化剂由3,6-双(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪合成3,6-二吲哚基-1,2,4,5-四嗪，再将3,6-二吲哚基-1,2,4,5-四嗪通过Friedel-Crafts反应合成聚合物，再将该聚合物热解即得到氮掺杂碳球氧还原催化剂。

在本发明中，3,6-二吲哚基-1,2,4,5-四嗪由3,6-双(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪和吲哚盐反应合成。

在本发明中，Friedel-Crafts反应为：3,6-二吲哚基-1,2,4,5-四嗪和甲撑二甲醚在催化剂的作用下进行反应。

在本发明中，所述吲哚盐为吲哚和碱反应获得。作为优选，所述碱为强碱，更优选碱为KOH或NaOH。