[发明专利]一种碳负载过渡金属原子对电催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种碳负载过渡金属原子对电催化剂及其制备方法与应用，属于电催化剂技术领域。本发明以含氮碳源为碳源和氮源，由于过渡金属离子与含氮碳源之间的络合作用，经沉淀反应，形成碳基底上具有均匀分散的过渡金属双原子对的催化剂前躯体，该催化剂前躯体在500～1000℃保护气氛下热解和退火使得过渡金属原子对分散在多孔碳材料上，得到电催化剂。本发明引入双过渡金属原子，不仅可以增加电催化剂的活性位点数目，还可以有效提高电催化剂的活性和氧还原活性，在金属空气电池、燃料电池领域有着广阔的应用前景；另外，本发明的制备方法简单，且所需原料的价格低廉、设备简单，易于实现大规模工业化生产。

技术领域

本发明涉及电催化剂技术领域，尤其涉及一种碳负载过渡金属原子对电催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

燃料电池是一种可以直接将燃料中储存的化学能转化为电能的装置，其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)以氢气或甲醇为燃料，燃料的储存、运输十分方便，适用于电动汽车/发电机，其应用前景十分广阔。尽管PEMFC已经有了初步的应用，但是想要大规模商业化仍具有许多技术上的问题，尤其是对催化剂的研究。在PEMFC中主要有两种反应，分别是在阳极发生的燃料氧化反应和在阴极发生的氧还原反应，需要催化剂来加速电化学反应过程。铂基催化剂是目前氢氧燃料电池中实际应用的阴极氧还原催化剂，但是贵金属铂的地球存量本身有限，是制约铂基催化剂燃料电池的首要因素。根据美国能源部(DOE)于2013年公布的对于燃料电池技术项目的预期显示，贵金属铂的单位功率负载量应不高于0.14g·kW。而基于数据公布当时铂的价格进行计算，对于铂基电催化剂的花费仍然占到了质子交换膜燃料电池组总花费的24％。因此，如果只局限于铂基催化剂的研究，燃料电池的成本将直接单方面的受制于本就高度垄断并且极不稳定的贵金属市场。

由于铂昂贵的价格以及稀缺性，开发非贵金属氧还原催化剂对于氢氧燃料电池的规模化应用非常必要。碳基非贵金属氧还原催化剂，包括金属-氮掺杂碳(M-N-C)材料和非金属杂原子掺杂碳材料，是目前最重要也是研究最广泛的两类非贵金属氧还原催化剂。对上述两种非贵金属氧还原催化剂的催化活性位点的认知是研究热点之一，也是明显提高性能和宏量制备的关键所在。

对于金属-氮掺杂碳催化剂，目前受到广泛认可的活性位点包括：M-N_x/C(x＝1,2,3,4)、N_x-C、包覆的纳米金属粒子活化的碳层等(王跃民,罗二桂,肖梅玲,葛君杰,刘长鹏,邢巍.碳基非贵金属氧还原催化剂活性位点的研究进展[J].中国科学:化学,2017,47(05):554-564)。对于非金属杂原子掺杂碳材料(如氮掺杂碳材料)，氮原子毗邻的碳原子一般被认为是活性位点。但是上述两种非贵金属氧还原催化剂的活性位点有限，对氧还原催化剂的活性和稳定性都有一定的局限性，不能够广泛应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种碳负载过渡金属原子对电催化剂及其制备方法与应用，本发明提供的电催化剂具有优异的氧还原催化活性和稳定性，可以替代现有商业化Pt/C催化剂，在金属空气电池、燃料电池领域有着广阔的应用前景。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳负载过渡金属原子对电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将含氮碳源和双过渡金属源依次溶于水中形成混合溶液，进行沉淀反应，得到前躯体体系；

(2)将所述步骤(1)得到的前躯体体系中的水蒸干，研磨，得到催化剂前躯体；

(3)将所述步骤(2)得到的催化剂前躯体在保护气氛下，依次进行热解和退火，得到所述碳负载过渡金属原子对电催化剂；

所述步骤(1)中双过渡金属源中两种过渡金属源是分别溶于水；

所述步骤(3)中热解的温度为500～1000℃，时间为4～8h。