[发明专利]三维氮掺杂碳基材料负载双金属磷化物双功能催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种三维氮掺杂碳基材料负载双金属磷化物双功能催化剂及其制备方法和应用。该催化剂是由双过渡金属磷化物与氮掺杂的碳纳米管组成的复合材料。先将三聚氰胺与碳纳米管以一定质量比混合热处理，制备三维氮掺杂碳材料；再向三维氮掺杂碳材料的水溶液中混入一定比例的双过渡金属硝酸盐，并将此混合物在惰性电极表面干燥；然后在中性缓冲溶液中电沉积0.5‑1.5分钟，清洗、干燥；最后与亚磷酸二氢钠在350℃氮气氛围下反应2小时，即得到本发明所述催化剂。该催化剂在碱性条件下具有优异的催化析氧性能(OER)，也具有高效的催化氧还原功能(ORR)，且所用原料价格低廉，工艺简单，反应时间短，适合批量生产。

技术领域

本发明属于燃料电池及水裂解析氧等新能源技术领域，具体涉及一种三维氮掺杂碳基材料负载双金属磷化物双功能催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。目前，全球能源消耗的85％左右均来自于化石燃料的燃烧，化石燃料燃烧的同时导致大气中CO₂浓度持续累积升高，并最终使温室效应和全球暖化现象不断加剧。因此，世界各国都在对高效、低成本的清洁能源进行积极的研究与开发。燃料电池(尤其是质子交换膜燃料电池)、水裂解装置及金属空气电池等新能源技术是当今研究的重要方向[Chem.Rev.2015,115,9869-9921]。传统的贵金属(Pt、Ir、Ru等)及其合金虽然具有较好的氧还原(ORR)和氧析出(OER)的催化活性，但是价格昂贵且易中毒失活，严重制约了这些能源技术的发展。因此，高效、稳定、价廉的非贵金属双效催化剂成为新能源技术的研发热点。

过渡金属(如钴，镍，铁，锰)氧化物具有价格低，储量丰富等优点，且可以形成多种晶体构型，现已被很多科学家认为可以替代贵金属的催化材料。Schuhmann课题组研究了一系列钙钛矿型过渡金属氧化物，虽然具有较好的ORR和OER催化性能，但仍需要掺杂少量价格昂贵且储量稀少的稀土元素(La，Ce等)[ChemPhysChem 2014,15,2810-2816]；Nocera等制备的一系列过渡金属氢氧化物，发现不同的晶形结构对ORR和OER催化性能影响很大[J.Am.Chem.Soc.2012,134,6801-6809]。尽管这些材料具有一定的催化潜力，但其合成工艺复杂，制备时间长，性能仍不足以满足工业生产的需求。

综上所述，针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种三维氮掺杂碳基材料负载双金属磷化物双功能催化剂及其制备方法和应用，三维氮掺杂的碳材料因其具有超大的比表面积，较高的化学稳定性，优异的导电性，可以作为催化剂载体而被广泛使用。双过渡金属磷化物存在金属与磷的协同作用，可以通过对金属种类的调节以可控的方式提高其催化性能。本发明中制备的三维氮掺杂碳基材料辅在双过渡金属磷化物双功能复合催化剂现有技术还没有。因此，通过本发明中实施方法可控制备三维氮掺杂碳基材料辅在双过渡金属磷化物双功能复合催化剂对拓宽双功能催化剂的研究方向具有重要的意义。

发明内容

本发明为解决背景技术中上述技术问题而采用的技术方案是提供一种三维氮掺杂碳基材料负载双金属磷化物双功能催化剂及其制备方法和应用，是一种制备时间短，工艺简单，反应可控，活性高的ORR和OER双功能复合催化剂及其制备方法，其中，具体技术方案为：

一种三维氮掺杂碳基材料负载双金属磷化物双功能催化剂，该催化剂是由三维氮掺杂碳基材料及双金属磷化物组成的复合材料。

上述的三维氮掺杂碳基材料负载双金属磷化物双功能催化剂的制备方法，其中：

包括以下几个步骤：

(1)按三聚氰胺与碳纳米管质量比为1.5:1称取，在溶剂中超声分散均匀后，干燥并在550℃下热处理2小时，得到三维氮掺杂碳基材料；

(2)将三维氮掺杂碳基材料与二价金属离子以质量摩尔比为1g:0.3-0.6mol的有机溶液超声搅拌均匀，于惰性电极表面干燥；