[发明专利]一种氧还原复合催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氧还原复合催化剂及其制备方法，该复合催化剂包括介孔中空碳球和过渡金属氮化物，其中介孔中空碳球作为载体负载过渡金属氮化物。该复合催化剂的制备方法包括以下步骤：(1)制备介孔中空碳球；(2)将过渡金属硝酸盐和步骤(1)中制备的介孔中空碳球混合，氧化后得到过渡金属氧化物/碳材料；(3)将步骤(2)中得到的过渡金属氧化物/碳材料在氨气下进行热处理，得到过渡金属氮化物/碳材料氧还原复合催化剂。该氧还原复合催化剂具有中空空腔和介孔壳层结构，提高了催化剂负载量，暴露了更多的活性点，氧还原催化活性好，耐甲醇，制备原料来源广泛、成本低廉，制备过程绿色无污染，在工业应用中具有广泛前景。

技术领域

本发明涉及一种催化剂及其制备方法，更具体地，涉及一种氧还原复合催化剂及其制备方法。

背景技术

氧还原(ORR)被广泛的应用于新能源领域，如燃料电池、锌空电池等，氧还原反应是一个包含多个反应步骤的复杂反应，动力学相对较慢，在没有催化剂的情况下反应缓慢。Pt/C在理想的条件下具有非常高的氧还原活性，包括比较正的起始电势和半波电势，以及较大的扩散极限电流，被认为是最有效的氧还原催化剂，但其储量有限、价格昂贵、耐甲醇性能差。文献号为CN106887608A的发明专利申请公开了一种利用空心碳球负载过渡金属氧化物的低成本氧还原催化剂，该催化剂制备成本低，原料易得，制备方法简便，具有一定的氧还原催化活性，但其催化性能和商业Pt/C相比还存在一定差距，且制备过程中用到有毒物质，不环保，使得该催化剂不便大规模生产。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种氧还原复合催化剂，该复合催化剂氧还原催化性能好、耐甲醇、成本低、制备过程绿色无毒。本发明的另一目的是提供该催化剂的制备方法。

技术方案：本发明所述一种氧还原复合催化剂，该催化剂包括介孔中空碳球和过渡金属氮化物，其中介孔中空碳球作为载体负载过渡金属氮化物。

其中，介孔中空碳球比表面积为800m²/g-1000m²/g，尺寸为100nm-200nm，便于负载活性物质，增大催化剂与氧气的接触面积。

其中，过渡金属氮化物中过渡金属为Fe、Co、Ni中的一种，其活泼性高，易于反应生成氮化物，催化活性高。

本发明所述一种氧还原复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备介孔中空碳球；

(2)将过渡金属硝酸盐和步骤(1)中制备的介孔中空碳球混合，氧化后得到碳材料负载过渡金属氧化物；

(3)将步骤(2)中得到的过渡金属氧化物/碳材料在氨气下进行热处理，得到碳材料负载过渡金属氮化物氧还原复合催化剂。

其中，步骤(2)中过渡金属硝酸盐和介孔中空碳球的质量比为1:1～2:1，在此范围可以充分利用介孔中空碳球且不产生过渡金属硝酸盐的浪费。

其中，步骤(2)中氧化温度为100℃～200℃，氧化时间为1.5h～2.5h，此范围能够在保证过渡金属硝酸盐氧化，得到碳材料负载过渡金属氧化物的同时，不使碳材料发生氧化。

其中，步骤(3)中碳材料负载过渡金属氧化物在氨气下热处理的温度为450℃～800℃，热处理的时间为2h-4h，此范围能够使碳材料负载过渡金属氧化物反应生成碳材料负载过渡金属氮化物氧还原复合催化剂，且不产生金属单质。

有益效果：1、该复合催化剂活性位点多，氧还原催化活性好，其催化性能接近于商业Pt/C；2、耐甲醇；3、制备原料来源广泛、成本低廉，其成本仅为商业Pt/C的0.2％；4、制备过程无毒无污染，绿色环保。

附图说明

图1是介孔中空碳球的扫描电镜图；