[发明专利]一种氧还原催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及氧还原催化剂技术领域，尤其涉及一种氧还原催化剂及其制备方法和应用。本发明提供的氧还原催化剂，包括载体和负载在所述载体上的氧还原催化活性成分；所述载体为氮掺杂导电炭黑；所述氧还原催化活性成分为Co和Co₉S₈。所述氧还原催化剂中的氮掺杂导电炭黑(N‑KB)与金属单质Co和Co₉S₈活性位点形成支撑结构，在后期氧还原催化过程中加快了电子传递速度，有利于复合材料的电化学性能的提升。根据实施例的记载，本发明所述的氧还原催化剂的电化学性能与商业级贵金属催化剂Pt/C的电催化活性相当，在实际铝‑空气电池应用中表现出更高的放电平台。

技术领域

本发明涉及氧还原催化剂技术领域，尤其涉及一种氧还原催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

金属-空气电池作为新一代燃料电池，不仅具有较高的理论能量密度，而且在成本、环保型和安全自能够方面极具优势，因此近年来受到研究者们的广泛关注。其中，铝-空气电池更是所有高性能金属-空气电池中的一个特殊代表，其负极使用质量更轻的铝金属为燃料，所获得单位重量上的能量密度可高达600W·h·K·g^-1，这为它能在未来大规模装载新能源电动汽车领域的应用上奠定了基础。然而，目前对于铝-空气电池技术的主要挑战是在于如何能高效的利用空气中氧气进行还原反应，从而形成通路电流。现如今普遍的是利用氧电极催化剂来改善铝-空气电池中缓慢的氧还原反应(ORR)，Pt基材料由于具有更快的反应动力学特征，主要通过四电子途径转移电子，因此被认为是当前最好的ORR催化剂。但是，这些贵金属催化剂不仅价格昂贵，资源稀缺，而且催化稳定性表现不佳，这制约了其在能源市场的应用发展。由此可见，开发一种低成本高性能的ORR氧电极催化剂是目前空气电池的研究重点。

近年来，以具备多种形貌结构、物相种类广泛和资源丰富等特点的过渡金属钴硫化物表现出较好的电催化活性和化学稳定性而受到研究者的广泛关注。然而，对于硫化钴存在的表面催化活性位点不集中和低导电性都大大制约了它的实际应用。因此，为了提高硫化钴的电催化性能，研究者们通常采用多元体系协同增强作用调控硫化钴的电催化性能。目前，对于硫化钴电催化性能的调控主要可归纳为以下两点：(1)将硫化钴活性颗粒与高导碳材料进行负载，形成高导碳支撑结构，从而加快电子转移速度；(2)利用硫化钴和其它氧还原催化活性位点进行复合，从而可同时发生多种催化氧还原反应。但现有的催化剂的电化学稳定性不加，并不能满足实际要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氧还原催化剂及其制备方法和应用，所述氧还原催化剂的电化学性能与商业级贵金属催化剂Pt/C的电催化活性相当，在实际铝-空气电池应用中表现出更高的放电平台。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种氧还原催化剂，包括载体和负载在所述载体上的氧还原催化活性成分；

所述载体为氮掺杂导电炭黑；

所述氧还原催化活性成分为Co和Co₉S₈。

优选的，所述氮掺杂导电炭黑在所述氧还原催化剂中的质量百分含量为40～50％；

所述Co在所述氧还原催化剂中的质量百分含量为35～45％；

所述Co₉S₈在所述氧还原催化剂中的质量百分含量为15～25％。

本发明还提供了上述技术方案所述的氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将科琴黑、三聚氰胺和水混合后，依次进行第一水热反应和煅烧，得到氮掺杂导电炭黑；

将硝酸钴和柠檬酸钠的混合液与钴氰化钾溶液混合，老化，得到普鲁士蓝类似物；