[发明专利]一种氮掺杂碳纳米管氧还原电催化剂及其制备方法

说明书

一种氮掺杂碳纳米管氧还原电催化剂及其制备方法，包括，在片状石墨相氮化碳(g‑C₃N₄)上原位生长双金属沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIF)，再经高温热处理。其中g‑C₃N₄可先由廉价生物质材料热解而得到；电催化剂为包裹过渡金属或其化合物的多孔氮掺杂碳纳米管材料。本发明的制备方法，工艺简单，成本低，通过引入廉价的生物质材料低温煅烧自生成g‑C₃N₄材料，再担载双金属ZIF材料，经高温热解得到有效的氮掺杂碳纳米管电催化剂。制备的氮掺杂碳纳米管氧还原催化剂，具有大量的介孔和高的比表面积，对氧气还原反应表现出高的催化活性，可作为阴极催化剂广泛应用于燃料电池和金属空气电池等领域。

技术领域

本发明涉及氧还原电催化剂，具体涉及一种氮掺杂碳纳米管氧还原电催化剂及其制备方法。

背景技术

目前传统能源消耗严重，太阳能，风能，氢能等新能源的开发和利用及节能减排发展新能源汽车日益重要。燃料电池及金属空气电池具有清洁、高效、功率密度高以及低温快速启动等优点，在车载电源、分布式发电及新能源存储等领域有着广泛的应用。但是，燃料电池及金属空气电池的性能严重受到阴极缓慢反应动力学的限制。而阴极氧还原反应(ORR)目前最好的催化剂仍是Pt基催化剂，但是Pt的资源有限，价格昂贵，导致上述电池商业化面临着成本高的问题。为了降低阴极催化剂的成本，其根本的解决之道在于开发非贵金属催化剂。

氮掺杂碳材料(如碳纳米管、石墨烯等)是一种最有可能替代Pt的ORR非贵金属催化剂，但是非贵金属催化剂常用价格相对昂贵的大环化合物引入氮元素，使得催化剂的制备成本仍相对较高；同时，碳纳米管往往需要使用价格昂贵的气相沉积设备制备，工艺复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低、且具有高催化活性的氮掺杂碳纳米管氧还原电催化剂及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：

一种氮掺杂碳纳米管氧还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1：将生物质材料在一定气氛和温度下煅烧得片状g-C₃N₄；

S2：将g-C₃N₄粉末加入到双金属盐的甲醇或水溶液中，搅拌条件下反应；

S3：将一定量的1-甲基咪唑或2-甲基咪唑加入到反应后的混合液中，20℃～100℃反应1～24h，抽滤或离心，干燥，得到粉末样品；

S4：将粉末样品于惰性气氛下700～1000℃热处理2～4h，再进行酸处理，之后水洗，干燥，得氮掺杂碳纳米管氧还原电催化剂。

优选的，所述步骤S1中，生物质材料包括三聚氰胺、尿素和硫脲中的至少一种，煅烧温度为500～600℃，气氛为空气或惰性气氛。

优选的，所述步骤S2中，双金属盐的甲醇或水溶液中，总金属离子浓度为1～50mmolL^-1；双金属离子体系包括Co²⁺/Zn²⁺、Fe²⁺/Zn²⁺和Ni²⁺/Zn²⁺中的至少一种。

优选的，所述Co²⁺/Zn²⁺体系中Zn²⁺的摩尔含量为25％～75％；所述Fe²⁺/Zn²⁺或Ni²⁺/Zn²⁺体系中Zn²⁺摩尔含量为70％～99％。