[发明专利]一种金属-氮共掺杂碳基复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种金属‑氮共掺杂碳基复合材料的制备方法及应用，所述方法包括以下步骤：步骤A、称取一定比例的碳源前驱体、氮源前驱体、金属盐作为原料进行球磨混合，得到粉末固体前驱体；步骤B、将粉末固体前驱体在保护气氛下进行热处理，即得到金属‑氮共掺杂碳基复合材料。本发明制得的复合材料具有高效的氧还原催化性能，可应用于质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、金属‑空气电池等的空气电极催化剂。该催化剂的优势在于，具有丰富的孔道结构和较大的比表面积，有利于活性位的利用和传质过程的发生。碳源、氮源、金属源相互作用，有效提高催化活性。所制备的金属‑氮共掺杂碳基复合材料具有良好的氧还原催化活性，是一种高效的非贵金属氧还原催化剂。

技术领域

本发明属于电化学能源领域，尤其涉及一种金属-氮共掺杂碳基复合材料的制备方法及应用。

背景技术

随着社会和经济的发展，人类对能源的需求量越来越大。在过去的几个世纪里，我们依赖于化石能源，然而化石能源的大量使用，导致了许多问题：随着人们对化石燃料的过度开发利用，化石资源面临日渐枯竭的危险；化石燃料在燃烧时会释放出有毒有害气体如二氧化硫，氮氧化物等和大量的颗粒，造成严重的空气污染。因此，能源和环境问题已经成为了当今世界的主题。

氢能作为一种绿色能源，能量密度高，来源丰富，而且氢能燃烧产物是水，对环境友好不产生任何污染。燃料电池可以利用氢能，将化学能直接转化为电能，无需经过热机燃烧过程，不受卡诺循环的限制，能量利用率高，环境友好，因此具有广阔的应用前景和商业价值。

燃料电池大规模发展其中一个重要的制约因素就是其成本问题，为了促进燃料电池中阴阳极的反应，需要采用高效催化剂，尤其是阴极的氧还原反应。目前性能较好的是铂基催化剂，但是铂资源短缺，价格昂贵，是燃料电池成本居高不下的重要原因。因此开发成本低廉，高活性和高稳定性的非贵金属催化剂是当前发展燃料电池技术的热点之一。

由于一般前驱体煅烧过程中原子间相互作用不强，碳源、氮源和金属源单纯作为各自的前驱体，一方面氮元素的流失在热处理过程中较为严重，另一方面形成的有效活性位点偏少。因此提高前驱体原子间作用，例如采用会与金属离子形成螯合物的氮源等，可以有效促进活性位点生成且提高利用率，从而提高氧还原性能。

专利文献CN 109037713A中公开了一种新型铁氮掺杂介孔生物碳氧还原催化剂的制备方法，利用蛋白核小球藻作为ORR催化剂的氮源和碳源，先将蛋白核小球藻粉与铁盐溶液或含铁有机物溶液混合并超声震荡，然后干燥，再热解后，球磨得到。上述方法是以溶液法混合前驱体，热解已经形成氧还原催化剂，热解后的球磨主要起到将颗粒研磨成粉末的作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种金属-氮共掺杂碳基复合材料的制备方法及应用。本发明的方法操作简单易行，采用球磨法均匀混合后一步煅烧合成具有高效氧还原催化性能的复合材料。该方法原位生长金属-氮-碳活性组分，选择会与金属离子发生螯合作用形成稳定螯合物的氮源，并且选用小分子含氮元素丰富的氮源，可以有效插入碳层中，有利于氮的嵌入，同时由于氮源对金属离子的稳固作用，金属原子与氮原子在结构上更为靠近，在热处理过程中容易形成金属-氮结构，有利于氧还原活性。此外，热处理过程释放气体会形成孔道结构，有利于活性位的负载，大大提高材料的氧还原催化活性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种金属-氮共掺杂碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤A、称取一定比例的碳源前驱体、氮源前驱体、金属盐作为原料进行球磨混合，得到粉末固体前驱体；

步骤B、将粉末固体前驱体在保护气氛下进行热处理，即得到金属-氮共掺杂碳基复合材料。

本发明的中以球磨方法混合前驱体，是因为碳载体在溶液中的存在方式是分散而非溶解，球磨法可以使固体状的前驱体混合更加均匀，并且有利于氮源金属源插入碳层或者填充在碳的孔道中，有利于活性位的生长。