[发明专利]金属酞菁类分子前驱体构筑单位点电催化剂的方法及应用

说明书

本发明提出了金属酞菁类分子前驱体构筑单位点电催化剂的方法及应用，该方法包括：将沸石咪唑酯骨架结构材料与金属酞菁类分子进行配位反应，并将配位反应产物进行高温裂解，以便获得所述电催化剂，所述沸石咪唑酯骨架结构材料包括金属待配位位点和咪唑氮待配位位点。该方法将具有高比表面积的沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIFs)与具有高稳定性的金属酞菁类分子进行配位复合，显著提高了催化剂活性位点的数量，并且可以有效避免金属原子的团聚。制备获得的电催化剂具有单位点金属负载量高、稳定性好以及催化活性高等优点。

技术领域

本发明涉及电催化领域，具体地，本发明涉及金属酞菁类分子前驱体构筑单位点电催化剂的方法及应用，更具体地，本发明涉及金属酞菁类分子前驱体构筑单位点电催化剂的制备方法以及催化氧气还原的方法。

背景技术

随着社会的高速发展，人类对能源的需求日益增长，传统的化石能源由于不可再生、储量有限等问题而逐渐难以满足需求。同时，化石燃料在使用过程中产生的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害气体使环境问题日益严重。因此，发展可再生和可持续能源转换技术，开发绿色无污染的可再生能源来替代化石能源是十分必要的，也是当今世界的面临的挑战之一。电化学作为一种能够将化学能和电能进行转换的有效手段已经引起了越来越多的关注。电化学反应条件温和，对环境影响小，是一个清洁、环境友好的过程，并且化学能具有易于储存，适合大规模应用的特点。因此，利用电化学方法进行能量的存储与转化对于解决能源及环境问题具有重要的意义。

燃料电池、金属-空气电池等可以通过电化学的方式将化学能转换为电能，是一种清洁高效的能量转换方式。这种化学能转换为电能的过程是一个不涉及燃烧的直接过程，对环境影响小，能够避免燃烧带来的环境问题。但是，燃料电池和金属-空气电池还面临一系挑战，其中最主要的问题在于阴极氧还原反应(ORR)是一个缓慢的动力学过程，因此ORR是电池反应的决速步骤，限制了电池的能量转换效率。为了解决该问题，往往需要较高的催化剂载量来提高实际的能量密度。电催化剂不仅决定了电化学能量转换系统的性能，也对系统的稳定性以及成本具有重要影响，是电化学能源系统发展的一个重要瓶颈。

目前，虽然贵金属铂基催化剂具有非常优异的电催化活性，但是由于贵金属Pt的价格昂贵，储量低，同时易被毒化，一直成为限制其在氧还原催化剂中大规模应用一个重要因素。因此，寻找廉价而又高效的电催化剂(非金属、非贵金属、单位点电催化剂等以及它们的复合物等)成为电化学能源系统研究和产业化应用发展的关键。而非贵金属催化剂，特别是单位点金属催化剂，如具有Fe-N/C或者Co-N/C结构的催化剂，已经被证明在碱性或者酸性体系中具有较优的催化活性。而且单位点电催化剂由于具有质量比活性高、活性位点多等优点已经成为目前的研究热点。然而，目前的单位点电催化剂还具有许多缺点，如制备过程中容易出现金属原子的团聚，稳定性较差，单位点金属负载量较低或者催化活性较低。

因此，在单位点电催化剂的制备中，如何避免金属原子的团聚，并且开发出一种具有高负载量，稳定性好以及活性高的催化剂是目前面临的一种挑战。

发明内容

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

目前对于非贵金属单位点电催化剂在氧还原中的研究中还局限于碱性电解质，但商业化的质子交换膜的成功应用使得在酸性电解质中发展具有高活性及稳定性的非贵金属氧还原电催化剂具有重要的意义。基于上述问题，发明人经过大量的实验研究，提出了一种新的制备单位点电催化剂的方法，该方法将具有高比表面积的沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIFs)与具有高稳定性的金属酞菁类分子进行配位复合，显著提高了催化剂活性位点的数量，并且可以有效避免金属原子的团聚。制备获得的电催化剂具有单位点金属负载量高、稳定性好以及催化活性高等优点。