[发明专利]过渡金属氮掺杂碳基催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种过渡金属氮掺杂碳基催化剂及其制备方法。本发明提供的过渡金属氮掺杂碳基催化剂包括过渡金属盐、水溶性高分子材料、碱、碳源和氮源的反应产物。本发明提供的过渡金属氮掺杂碳基催化剂具有较好的催化活性，正半波势和动电流密度(Jk)均高于工业铂/碳催化剂，长期耐用性等优于商业铂/碳催化剂。

技术领域

本发明涉及一种过渡金属氮掺杂碳基催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

与传统化石能源相比，电化学能源具有环保、可再生等优点，因此越来越受到人们的重视。氧还原反应(ORR)是所有燃料电池(包括氢燃料电池、直接甲醇燃料电池和金属空气电池)的不可或缺的反应过程，是电化学能量转换和储存的关键因素。ORR的主要缺点是阴极上的多电子传递动力学缓慢，必须由贵金属铂、钯或它们的合金催化。虽然铂是ORR最常用的催化剂，但其成本高、活性有限、稳定性/耐久性差，容易被一氧化碳钝化，这些都限制了其大规模的工业应用。虽然Pt合金有提高催化性能，减少贵金属铂的使用，但仍受到地球铂储量的限制。在非贵金属催化剂中，过渡金属-氮碳化合物(MNCs)因其优异的催化性能和丰富度而受到广泛的研究。可调表面化学、改进的电子结构和最佳的O₂吸附使MNCs具有优越的ORR性能。

近年来，一些实验报道表明，单是掺杂氮的碳基、Fe/Fe₃C或Fe-Nx都不能提供很高的活性。所谓的单原子催化剂(在常温常压下除了0族惰性气体外没有真正的单原子物质)不仅提供了最高的原子单元化效率，而且具有可识别的配位环境，具有可识别的活性位点，为理论计算提供了一个完美的模型。金属活性中心的局部结构和化学环境决定了石墨烯基单原子催化剂的活性。虽然已经开发出许多种高效的MNC催化剂，但还没有关于它们在商业应用方面的报道。可能有三个原因：一是在扩大生产的过程中，参数的精确调节和复杂的工艺变得困难；催化剂结构精细、活性高，需要调节大量的化学试剂和反应参数(时间、温度等)，对催化剂的规模化提出了挑战。第二个原因可能是由于原材料有限，时间成本和实验室生产的产量等原因，当产量增加时，总成本并不比商业Pt/C低。最后，MNC催化剂尚未商业化生产的第三个原因可能与H₂燃料电池的其他固有问题有关，如组件结构和H₂的生产、运输和储存。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种过渡金属氮掺杂碳基催化剂，其采用超声雾化沉淀法制备得到，保证了氮掺杂碳纳米球表面的过渡金属原子锚定，具有较好的催化活性，正半波势和动电流密度(Jk)均高于工业铂/碳催化剂，长期耐用性等优于商业铂/碳催化剂。

在第一方面，本发明提供了一种过渡金属氮掺杂碳基催化剂，包括过渡金属盐、水溶性高分子材料、碱、碳源和氮源的反应产物。

根据本发明的一些实施方式，所述过渡金属盐选自锰、铁、钴、镍、铜、锌、钒、铬、钇、铪、钽、金、银、铂、钯、钌、铑、钼、钨、铼、锇、铱、汞、鎘、铈和镧的氯化物、高卤酸盐、硝酸盐、硫酸盐和磷酸盐

根据本发明的一些实施方式，所述水溶性高分子材料选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇和聚乙烯醇中的至少一种。

根据本发明的一些实施方式，所述碱选自氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化锂、氨水、水合肼和硼氢化钠中的至少一种。

根据本发明的一些实施方式，所述氮源选自三聚氰胺、邻二氮杂菲、卟啉、嘌呤、嘧啶、精氨酸、赖氨酸、组氨酸、聚苯胺、聚多巴胺、聚乙烯亚胺和聚酰亚胺中的至少一种。

根据本发明的一些实施方式，所述碳源选自炭黑、石墨烯、碳纳米管、富勒烯、微米金刚石、纳米金刚石、非晶碳和石墨中的至少一种。

在第二方面，本发明提供了一种过渡金属氮掺杂碳基催化剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤A：提供过渡金属盐溶液，其中所述过渡金属盐溶液包含过渡金属盐、水溶性高分子材料、醇和水；

步骤B：提供雾化后的碱溶液；