[发明专利]一种无金属碳基电催化剂及制备方法和应用

说明书

本发明属于电化学和新能源领域，具体涉及一种无金属碳基电催化剂及制备方法和应用。本发明一种无金属氮掺杂碳基电催化材料的制备方法，利用两种有机配体作为氮源和碳源，在室温下通过一锅法反应合成金属有机骨架作为前驱体，进一步通过惰性气氛下高温热解合成出无金属碳基电催化材料。本发明可作为电催化剂在电化学析氢反应、析氧反应和氧还原反应中应用。也可应用于可充放电锌空气电池空气阴极。无金属碳基电催化剂拥有多催化活性位点，所制备的三功能催化材料拥有丰富的C‑N_x活性位点，分层多孔结构，与产生的石墨化碳层协同作用，提高电催化活性。同时无金属电催化剂制备工艺简单，原料价格低廉，适合大规模工业化生产。

技术领域

本发明属于电化学和新能源领域，具体涉及一种无金属碳基电催化剂及制备方法和应用。

背景技术

当前，世界能源消耗还是以石油、煤炭、天然气等矿物能源为主，破坏生态环境的同时还面临能源枯竭的严峻问题。节能减排、能源转型已成为人类可持续发展的必经之路。寻求高效、绿色、可持续和安全的能源变得越来越紧迫。金属空气电池是新一代的绿色二次电池，具有成本低、无污染、比功率高、比能量高等优点，既有丰富的资源，还能再生利用，具有很好的发展和应用前景。在金属空气电池中，正极反应在放电和充电过程中分别涉及氧还原(ORR)和氧析出(OER)反应。水电解制氢是另一种高效和清洁的能源技术，可以产生纯度高的氢气，它由两个半反应组成：阴极上的析氢反应(HER)产生H₂，阳极上的析氧反应(OER)产生O₂。在当前的实际应用中，铂基催化剂仍然是ORR/HER的高效催化剂，而铱和钌基催化剂是优异的OER催化剂，然而成本高、贵金属稀缺、长期稳定性差、易中毒等缺陷严重限制了这些贵金属催化剂的大规模商业应用。因此，近十年来，人们一直致力于发展可用于催化ORR、OER和HER的新型高效非贵金属电催化剂。

在各种材料中，无金属碳氮共掺杂材料和过渡金属碳氮共掺杂材料被认为是很有前途的候选材料。已开发过渡金属碳氮共掺杂材料可以由金属、氮和碳的单独前驱体混合均匀后高温热解制备。但是，由于在热解过程中金属纳米粒子容易团聚，并且损失较多的氮源，导致催化活性位点密度降低，对电催化性能造成负面影响，降低催化活性。所以，设计无金属碳氮共掺杂材料成为目前的研究热点之一。目前已报道的无金属电催化剂在单独的ORR、OER或者HER反应方面已表现出良好的催化活性，部分性能已超越贵金属催化剂，然而具有三功能，即在ORR、OER和HER三个反应都表现出良好催化性能的催化剂报道仍然很少，这种三功能非贵金属催化剂应用在燃料电池、金属空气电池和全解水装置方面不管是在催化剂的制备还是器件的制备方面都可以极大的降低其成本。

发明内容

针对目前过渡金属材料热解过程中金属纳米粒子容易团聚，催化活性位点密度低的问题，本发明提供了一种无金属碳基电催化剂及制备方法和应用。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种无金属氮掺杂碳基电催化材料，包括以下组份：C元素含量为90～92％，N元素含量为4～5％，O元素含量为4～5％。

一种无金属氮掺杂碳基电催化材料的制备方法，利用两种有机配体作为氮源和碳源，在室温下通过一锅法反应合成金属有机骨架作为前驱体，进一步通过惰性气氛下高温热解合成出无金属碳基电催化材料。该方法原料简单易得，成本低廉，容易规模化生产，所制备的材料具有高的氧还原性能，与贵金属Pt基材料相当。

所述利用两种有机配体作为氮源和碳源，在室温下通过一锅法反应合成金属有机骨架作为前驱体，进一步通过惰性气氛下高温热解合成出无金属碳基电催化材料，具体包括如下步骤：

步骤1，ZN-50前驱体的制备：将含有Zn(NO₃)₂的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液快速倒入含有苯并咪唑和腺嘌呤混合配体的甲醇溶液中，室温下搅拌，离心收集沉淀，真空干燥过夜得到白色粉末，即为ZN-50前驱体；该方法操作简单，容易规模化生产。