[发明专利]一种氮掺杂碳多孔空心碳催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳多孔空心碳催化剂及其制备方法和应用，所述催化剂的制备方法为：将咪唑类物质与锌盐混合后加入到醇类溶液中，搅拌均匀，静置、过滤、干燥，得到的固体粉末加入到去离子水中，超声混合均匀，得混合液A；将有机酸水溶液用强碱调节pH至7‑9，得混合液B；混合液A和混合液B混合，搅拌均匀后，经离心分离、干燥，得到吸附有机酸根阴离子的固体粉末，吸附有机酸根阴离子的固体粉末再与离子液体放入管式炉中，于高纯气氛下高温煅烧，最终得到所述的氮掺杂碳多孔空心碳催化剂。本发明制备的氮掺杂碳多孔空心碳催化剂，具有高的电催化活性，超强的稳定性，通过验证本发明的催化剂的电化学还原氧气的性能优于商业铂碳。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂碳多孔空心碳催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

２１世纪亘古不变的两大话题：能源和环境危机；这影响着全球的生态、经济，以及人类的生存。上世纪至今，传统化石能源支撑着全人类经济和工业产业的发展，而今化石燃料的枯竭及消耗殆尽，必将引发不可逆转的环境破坏；长此以往的恶性循环直接威胁着地球与人类的和谐共处。在能源消耗与环境污染的双重危机下，燃料电池作为新兴绿色技术，如一抹星星之火在科学界获得广泛关注，成为未来动力能源的替代者。

酸性条件下，阴极过高的活性电位导致ＯＲＲ速率缓慢，需以阴极催化剂来降低Ｏ＝Ｏ键断裂的活化能垒，从而促进电池电极表面的ＯＲＲ速率。阴极催化剂的使用视为影响燃料电池电化学效果的主导因素。目前酸性条件下，具备高催化活性有铂以及铂合金。然而，高效的铂催化剂存在着价高、稀缺、低稳定性和弱抗毒性等一系列缺陷，至今制约着燃料电池的发展和应用。碱性电解质中，氧还原的动力学明显比在酸性电解质中容易，除了贵金属铂及其合金外还有过渡金属（Fe、Co、Mn）氮化物、含有杂原子碳材料。

酸性条件下，ORR具有更高的氧还原电势，且催化活性高的金属铂及其合金因其昂贵的制作成本得到限制。碱性条件下，开发过渡金属以含杂原子碳材料作为阴极氧还原催化剂。过渡金属因其在使用过程中的稳定性以及活性问题而受到限制。含有杂原子碳材料由于活性位的构造比较难、活性不高的问题存在。

因此，电化学还原氧气的商业化发展的首要制约因素是电极材料催化剂成本高及寿命短的问题，如何研制一种成本较低、性能稳定的电化学还原氧气的电极材料催化剂，是电化学还原氧气的研究重点。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种氮掺杂碳多孔空心碳催化剂及其制备方法和应用，本发明的催化剂不仅制备成本低，应用于电化学还原氧气中，稳定性能好、活性高。

所述的一种氮掺杂碳多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将咪唑类物质与锌盐以1-4 : 1的质量比混合，混合物再加入到醇类溶液中，搅拌均匀后，静置、过滤、干燥，得到固体粉末；

2）将步骤1）所得0.15-0.45 g固体粉末加入到10-30 mL去离子水中，超声混合均匀，得混合液A；将浓度为0.03-0.1 g/mL的有机酸水溶液用强碱调节pH至7-9，得混合液B；

3）将步骤2）中混合液A和混合液B以0.2-0.5 : 1的体积比混合，搅拌均匀后，经离心分离、干燥，得到吸附有机酸根阴离子的固体粉末；

4）将步骤3）所得固体粉末与离子液体以1-5 : 1的质量比混合均匀，混合物再放入管式炉中，于高纯气氛下高温煅烧，煅烧时间为1-3h，最终得到所述的氮掺杂碳多孔空心碳催化剂。

所述的一种氮掺杂碳多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）中，所述锌盐为硝酸锌、硫酸锌或氯化锌，优选为硝酸锌或氯化锌；咪唑类物质为甲基咪唑、2-甲基咪唑、1,2-二甲基咪唑、4-甲基咪唑、1,2-二甲基-5-硝基咪唑或二甲硝咪唑，优选为2-甲基咪唑或1,2-二甲基咪唑；所述醇类溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇或丁醇，优选为甲醇或乙醇。