[发明专利]M-N-C碳气凝胶电催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及一种M‑N‑C碳气凝胶电催化剂的制备方法。通过引入碳酸钠催化剂发生酚醛反应，采用溶胶‑凝胶法结合超临界干燥工艺、浸渍法和高温热处理制备出一种M‑N‑C气凝胶电催化剂。本发明制备出的气凝胶材料具有优异的电催化性能、低密度、高比表、节能环保等特性，对实现气凝胶材料在电解水、电催化、燃料电池及节能环保等领域的应用具备积极的生产意义。

技术领域

本发明属于气凝胶材料的制备工艺领域，具体涉及一种采用溶胶-凝胶法结合超临界干燥工艺制备一种M-N-C碳气凝胶电催化剂的方法。

背景技术

为了有效地缓解传统化石燃料燃烧而导致的能源危机和环境恶化问题，满足现代社会的能源需求，寻求可持续、清洁和高效率的能源生产尤为重要，这就促使了燃料电池、金属-空气电池、水分解等可持续能源转换和存储技术的发展。电解水是一种高效的可持续生成氢的途径，被认为是未来可再生能源生产、储存和使用的有效方法。电解水由两个半反应组成，分别是阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)。OER是四电子转移过程，其机理非常复杂，反应动力学缓慢，过电位高，这是限制电解水效率的重要因素，因此设计和合成高效OER催化剂是提高电解水能效的关键。当前电催化领域研究较多的有过渡金属氧化物、钙钛矿氧化物、层状双氢氧化物、尖晶石型半导体氧化物等材料，这在优化催化剂组成和结构方面做出了很大的突破。Ji等用硫调制NiFe化合物，制备了N/S共掺杂石墨烯S-Ni₃FeN/NSG，这种催化剂具有丰富的活性中心和二维片状结构，是优异的双功能氧电催化剂，ORR反应的半波电位为0.87V，OER反应在电流密度10mA cm^-2时的过电位为0.26V。(AngewandteChemie-International Eition,2020.59(26).)。Li等用钴掺杂修饰了Cu₇S₄纳米盘，制备了成本低、稳定性好、环境友好的电催化剂，OER反应在电流密度10mA cm^-2时的过电位为0.27V，有利于电催化剂的活性位点与电极之间的电子转移。(ACS Nano,2017,11,(12).)。但在实现高效传质和提高整体催化性能方面，仍然存在着一些不足，例如金属价格昂贵、比表面积小，活性位点少、传质效率低等。

气凝胶是一种三维纳米多孔结构的轻质材料，具有高比表面积、高孔隙率、低密度、低介电常数等优异性能。在热学、光学、声学、微电子、催化、航空航天和节能建筑等领域的应用前景十分广阔。因此，采用可导电气凝胶作为电催化材料，利用气凝胶材料的高比表面积，可以提升电催化性能。可导电的气凝胶有：碳气凝胶、石墨烯气凝胶和金属气凝胶。其中，碳气凝胶是具有高比表面积、高孔隙率、强耐腐蚀性、低密度、低电阻系数和稳定性较好的网络结构，是催化剂载体的最佳材料和高效高能电容器的理想材料之一。为了增加催化活性位点，进一步提高电催化性能，选择将非金属氮掺杂入碳气凝胶中，掺入的氮可以提供丰富的结构缺陷和活性位点，并在碳原子周围产生局域电子态，成为明确的催化活性位。再掺入金属元素，孤立的金属单原子与周围的氮原子形成M-N配位有效电子耦合，电子耦合能够显著地调整电子结构和中间产物的吸附能，从而促进电化学反应的动力学。因此，将非金属元素和金属元素掺杂入碳气凝胶中形成M-N-C气凝胶大大提高了催化剂的电催化活性，达到更好的催化效果。

发明内容

本发明将采用溶胶—凝胶法结合超临界干燥工艺、浸渍渗透法和高温热处理合成M-N-C气凝胶，目的是为了改进现有技术存在的不足而提供一种M-N-C气凝胶电催化剂的制备方法，该方法原料和工艺简单，耗能低，结构可控，制备出的气凝胶材料具备低密度、高比表、高电催化等特性，对实现气凝胶材料在电解水、燃料电池及节能环保等领域的应用具备积极的生产意义。

本发明的技术方案为：一种M-N-C气凝胶电催化剂的制备方法，其具体步骤如下：

(1)将去离子水、酚、醛、含氮化合物均匀混合后搅拌，得到溶胶体系；

(2)将碳酸钠加入到步骤(1)中得到的溶胶体系中搅拌，得到氮掺杂的湿凝胶；