[发明专利]一种自支撑氧还原催化剂及其制备方法、应用

说明书

本发明公开了一种自支撑氧还原催化剂及其制备方法、应用，以廉价易得的纯棉织物为碳源，在二氧化碳气氛中进行热解，制得多孔碳布，然后将此碳布浸泡在含有金属离子和含氮配体的混合溶液中，最后将负载金属离子和含氮配体的碳布在氮气气氛中进行热解，生成自支撑氧还原催化剂。本发明制备的催化剂比表面积高达1769±2m²/g，在碱性环境下的催化活性与商业Pt/C(20wt％)相当，具有良好的抗甲醛毒化能力和稳定性，且所用原料成本低，制备方法简单，能够应用于电池阴极材料中，并表现出良好的电池性能和柔韧性，具有非常好的工业应用前景。

技术领域

本发明属于电催化中非贵金属催化剂技术领域，具体的是一种自支撑氧还原催化剂及其制备方法、应用。

背景技术

在过去的几十年中，人类对传统化石能源的过度利用已经造成了严重的资源枯竭以及环境污染问题，开发新型储能和能源转化形式已经成为新时代发展的重要课题。燃料电池作为一种新型能源技术，可以直接高效地将燃料和氧化剂中蕴含的化学能转化为电能，并且仅生成对环境没有污染的水。燃料电池具有质轻、高效、寿命长、低腐蚀性、环境友好、可循环等特点，在移动电源、电动汽车电源、电站系统以及航空航天等方面均具有非常大的应用前景。尽管如此，由于阴极氧还原反应(ORR)速率比阳极氧化反应速率要慢5-6个数量级，且交换电流密度低，严重制约了燃料电池的发展及应用。因此，开发高效的ORR催化剂具有非常重要的意义。目前，燃料电池的ORR催化剂主要以性能优良的贵金属Pt基催化剂为主。然而，金属Pt储量少，价格高，且易受甲醇毒化，化学稳定性差，这大大限制了直接醇类燃料电池的发展。因此，开发非贵金属阴极催化剂显得尤为重要。

在当前研究较多的非铂类ORR催化剂中，过渡金属和氮元素共掺杂的碳材料(M-N_x/C)，由于具有优良的催化活性和超越Pt基催化剂的良好化学稳定性而备受关注。此类催化剂的制备对碳基材料的物理特性提出了较高的要求，包括高的电导率、大的比表面积以及良好的耐腐蚀性。在已报道的M-N_x/C催化剂中，使用较多的碳源有：商业用活性碳、石墨烯以及碳纳米管等。然而，这些碳材料的制备原料价格昂贵、条件苛刻复杂、产物产率低并且后期处理困难。近年来，生物质资源作为一种碳结构的来源越来越多地受到关注。全球每年有大量的生物质资源得不到合理的利用，有相当一部分甚至腐烂变质，成为了环境污染物。因此，如果能够以生物质材料为碳源制备ORR催化剂，能够极大地降低碳材料的生产成本，且能实现生物质资源的可持续利用。

目前，大多数已报道的催化剂都是以粉末形式存在。因此，在实际电池设备的应用中，通常需要使用有机粘合剂将粉末状催化剂粘附到电极上，而这一过程会造成活性位点堵塞、电导率恶化以及电子传递路径复杂化等诸多不良影响。所以，在导电材料上合成活性ORR催化物质，即自支撑催化剂，将其直接作为电池的阴极材料成为未来发展的趋势。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种自支撑氧还原催化剂及其制备方法、应用，其在碱性环境下的催化活性与商业Pt/C(20wt％)相当，具有良好的抗甲醛毒化能力和稳定性，且所用原料成本低，制备方法简单，能够应用于电池阴极材料中，并表现出良好的电池性能和柔韧性，具有非常好的工业应用前景。

本发明公开了一种自支撑氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将纯棉织物在二氧化碳气氛中进行热解以获得多孔碳布；

将所述碳布浸泡在含有金属离子和含氮配体的混合溶液中以使所述碳布充分吸附所述金属离子和所述含氮配体；

将负载有金属离子和含氮配体的碳布在氮气气氛中进行热解，从而获得自支撑氧还原催化剂。

作为优选，所述步骤“将纯棉织物在二氧化碳气氛中进行热解以获得多孔碳布”中，热解反应条件为：以5℃/min升温至900℃保持2h。

作为优选，所述多孔碳布的比表面积为1226±2m²/g。