[发明专利]N-掺杂的TiO2

说明书

本发明涉及N‑掺杂的TiO₂/C复合材料及其制备方法与应用，在碱性条件下，研究N掺杂的生物质炭‑TiO₂复合纳米颗粒作为氧还原反应的电催化剂。首先利用水热法将碳材料和TiO₂一步结合，然后通过高温处理改变TiO₂的晶型和分散程度，显著提高了其催化能力，温度为900度时活性最高，其起始电位为0.95V vs.RHE，X射线衍射显示其晶型为锐钛矿和金红石的混合晶体，其氧还原活性最高其已经超越了Pd/C，它还表现出优良的稳定性，这表明它是一个有前途的碱性燃料电池催化剂材料。

技术领域

本发明涉及N-掺杂的TiO₂/C复合材料制备方法及其应用，属于燃料电池技术领域。

背景技术

氧还原(ORR)作为燃料电池的阴极反应是目前燃料电池研究领域的一个重要内容， Grove在1839年用铂作为ORR的催化剂制备了最早的氢氧燃料电池。近年来，随着对清洁能源需求的不断增加，燃料电池的技术研究推动ORR的研究，尤其是ORR催化剂的研究。在ORR的催化剂中，以铂为主贵金属的催化剂被认为是最活跃的催化剂。然而Pt的稀有性和高成本，限制了Pt基电催化剂的大规模应用。因此，开发低铂或无铂ORR催化剂是相当急迫的一个问题。

据报道，碱性介质对ORR的动力学有一定的好处。近年来，氮掺杂碳材料被报道具有改善电子迁移能力和促进催化剂相互支持作用的能力，极大地促进了催化剂的活性和稳定性，例如(Co、Fe、Mn等)和氮共掺杂的石墨烯碳材料的氧还原被广泛报道。 (参见：Reungruthai Sirirak，Benjaporn Jarulertwathana1，Viratchara Laokawee，WarapaSusingrat，Thapanee Sarakonsri，FeNi alloy supported on nitrogen-doped graphenecatalysts by polyol process for oxygen reduction reaction(ORR)in protonexchange membrane fuel cell (PEMFC)cathode,Res Chem Intermed(2017)43:2905–2919。

Wang M Q,Ye C,Wang M,et al.Synthesis of M(Fe₃C,Co,Ni)-Porous CarbonFrameworks as High-Efficient ORR Catalysts[J],Energy Storage Materials 11(2018)112–117。

Xiaohua Zhang,Ping Lu,Xiangzhi Cui,Lisong Chen,Chen Zhang,Mengli Li,Yingfeng Xu, Jianlin Shi,Probing the electro-catalytic ORR activity ofcobalt-incorporated nitrogen-doped CNTs[J].Journal of Catalysis 344(2016)455–464)。

近年报道的在碱性介质中用于ORR的非贵金属电催化剂研究大多是基于石墨烯的特殊处理(掺杂、修饰等)。然而，石墨烯其制造工艺繁琐生产成本昂贵且热稳定性差难以利用到燃料电池中。二氧化钛(TiO₂)作为光催化剂用于环境保护和能源转换被广泛研究，但是作为 ORR材料却鲜有报道。TiO₂材料具有极好的高倍率性能和循环稳定性，成本低廉，且其电导率随温度的上升而迅速增加。这让TiO₂具有成为燃料电池阴极优良前景的能力。研究含TiO₂高性能ORR催化剂是一个有实际价值的问题。但是，TiO₂是一种半导体，导电性相对较差，不利于在电极上使用。而且，传统TiO₂负载方式存在不牢固和不稳定性问题，且二氧化钛纳米颗粒易于团聚，影响氧还原稳定性能和催化性能。