[发明专利]氧还原催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氧还原催化剂，该氧还原催化剂包含碳材料和掺杂在该碳材料中的两种或两种以上掺杂元素，掺杂元素为第IIIA族以及第VA族至第VIIA族中的除碳、氧元素之外的非金属元素。本发明还公开了上述氧还原催化剂的制备方法和应用。本发明的氧还原催化剂比表面积大，导电性好，稳定性高，氧还原活性优异，且制备方法简单，适合商业化应用。

技术领域

本发明涉及电化学催化领域，具体涉及一种氧还原催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，石油、煤炭等化石燃料的过渡开采和消耗，以及由此引起的环境污染问题大大影响人们的日常生活，严重危害人们的健康。世界范围内，各国都在大力发展清洁可再生的能源技术，如最近飞速崛起的二次电池技术，在一定程度上降低了环境污染问题，但是由于目前的锂电池的能量密度较低，不适宜长途运输等耗能高的行业，因此，开发能量密度高、工作条件温和、环境友好的燃料电池以及空气电池就显得尤为重要。这些技术中，由于氧还原反应固有的缓慢的反应速率，因此研究开发高效的氧还原催化剂成为开发高性能的燃料电池和空气电池中至关重要的一部分。催化氧还原最常用的催化剂是Pt/C催化剂，但是由于Pt贵金属的储量小，资源非常匮乏，价格非常昂贵，且这种催化剂对于CO以及甲醇的耐受性较差，因此研究开发高效稳定的非贵金属基催化剂乃至非金属基氧还原催化剂成为研究的热点。

碳材料具有良好的导电导热性，同时其具有较大的比表面积，表面具有丰富的活性位点，适合通过掺杂、复合等改性方法以增强其催化性能。非金属掺杂的碳材料由于电荷转移机制造成的电子重排以及电子自旋重排等机理，促使掺杂的碳材料对于氧气的吸附以及活化性能得到提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种比表面积大、导电性好、稳定性高、氧还原活性优异的多杂原子掺杂的碳基材料。

本发明的另一目的是提供上述多杂原子掺杂的碳基材料的制备方法及其在催化氧还原中的应用。

技术方案：本发明提供一种氧还原催化剂，该氧还原催化剂包含碳材料和掺杂在该碳材料中的两种或两种以上掺杂元素，该掺杂元素为第IIIA族以及第VA族至第VIIA族中的除碳、氧元素之外的非金属元素。

优选地，上述氧还原催化剂中至少包含两种位于不同主族的掺杂元素；进一步优选地，掺杂元素为氮、磷、硫、氟、氯、溴、碘或硼；氧还原催化剂中不同的掺杂元素可以形成协同效应，促进催化剂的氧还原性能；碳材料的比表面积为1～2000m²/g，进一步优选500～2000m²/g；掺杂元素的质量占氧还原催化剂质量的1％～10％，进一步优选为4％～10％。

本发明另一方面提供上述氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将碳材料和/或碳前驱体材料浸渍在包含掺杂元素的前驱体的溶液中，静置0.5h～1h，过滤，洗涤，干燥；

2)将经步骤1)处理的碳材料或碳前驱体材料在300℃～1200℃煅烧2h～5h，500～2500rpm转速下球磨10～60min，即得氧还原催化剂。

上述碳材料为石墨、石墨烯、碳纳米管和碳纳米纤维中的一种或两种以上的混合物；碳前驱体材料为树脂，树脂优选为酚醛树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂和聚氯乙烯树脂中的一种或多种的混合物。