[发明专利]原子级分散的金属与氮共掺杂碳基氧还原反应催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种原子级分散的金属与氮共掺杂碳基氧还原反应催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、将过渡金属盐溶解到溶剂中，得到溶液A；步骤二、将氮掺杂碳材料加入到溶液A中，得到溶液B；步骤三、将溶液B室温下超声、搅拌处理，使金属离子充分吸附到碳材料微孔内；步骤四、离心收集吸附有金属离子的氮掺杂碳材料，真空干燥后得到前驱体C；步骤五、将前驱体C在惰性气氛中进行热活化，得到高性能M‑N‑C催化剂。本发明的制备方法有效提高了原子级分散的活性位点的密度进而提高催化剂活性，能够制备具有原子级分散的、高活性位点密度的M‑N‑C催化剂，而且简单可行的优点易于实现大规模商业化应用。

技术领域

本发明属于材料合成技术领域，涉及一种原子级分散的过渡金属与氮共掺杂碳材料（M-N-C）催化剂的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池作为新一代高效、环保的绿色能源技术，有望被广泛应用于交通运输及便携设备，是21世纪影响国家安全和国民经济的重要技术。但是缓慢的阴极氧还原反应作为速率控制步骤限制了燃料电池的整体效率，高性能催化剂的研究制备成为关键技术。目前铂族金属催化剂被认为是性能最好的氧还原反应催化剂，但是面临成本高、寿命短及资源短缺等问题，铂催化剂的成本占燃料电池系统总成本的40%以上。低成本、高性能非贵金属催化剂的研究制备成为实现质子交换膜燃料电池大规模商业化应用的关键。

对于现有非贵金属催化剂材料，过渡金属氧化物、氮化物及硫化物等虽然在碱性环境中具有较高的活性及稳定性，但是面临在酸性环境下溶解问题因而无法使用；杂原子掺杂的碳材料虽然具有较好的稳定性，但是只在碱性环境中具有较高的催化活性，在酸性环境中活性很差。与上述材料相比，过渡金属与氮共掺杂的碳材料（M-N-C）在酸性及碱性环境中都表现出优异的活性与稳定性，被认为是最有应用前景的非贵金属催化剂。尤其是原子级分散催化剂的发展实现了金属原子的最大化利用，能够显著提高M-N_x活性位点的密度从而提高催化活性。但是现有原子级分散M-N-C催化剂制备工艺复杂、条件苛刻，在成本高的同时无法大批量生产。除此之外，现有原子级分散M-N-C催化剂都是通过高温热解由过渡金属盐、氮源及碳源组成的前驱体制得的，氮源或碳源的高温分解过程与活性位点的形成过程同时发生，导致活性位点的形成机理无法研究，限制了催化剂活性位点密度的进一步提高。

因此开发简单可行的制备方法，将催化剂活性位点的生成过程与复杂的高温分解过程分离以研究催化剂活性位点的形成机理，对进一步提高催化剂性能及其大规模商业化应用都具有重要的意义。

发明内容

为了解决现有原子级分散M-N-C催化剂活性不足及制备工艺复杂的问题，本发明提供了一种原子级分散的金属与氮共掺杂碳基氧还原反应催化剂的制备方法。本发明采用结构稳定的氮掺杂三维多孔碳材料为载体吸附过渡金属离子，随后的热活化过程能够有效提高M-N_x活性位点的本征活性及密度，从而制得原子级分散的高性能催化剂；高温裂解过程的分离简化了活性位点的形成过程，为催化剂相关理论研究提供了良好的平台；对各种氮掺杂碳材料及过渡金属盐具有普适性，且操作简单可行，易于实现大规模商业化应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种原子级分散的金属与氮共掺杂碳基氧还原反应催化剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将过渡金属盐溶解到溶剂中，得到溶液A；

本步骤中，所述过渡金属盐为六水合三氯化铁、四水合二氯化铁、九水合硝酸铁、六水合二氯化钴及四水合二氯化锰中的一种；所述溶剂为水、乙醇、异丙醇、1 mol/L盐酸溶液、0.5 mol/L硫酸溶液中的一种或两种（体积比为1:1）；所述溶液A中过渡金属盐的浓度为0.10~5.00 mg/mL；

步骤二、将氮掺杂碳材料加入到溶液A中，得到溶液B；