[发明专利]一种炭气凝胶负载原子级分散金属的氧气还原电催化剂及其制备方法、应用

说明书

本发明公开一种炭气凝胶负载原子级分散金属的氧气还原电催化剂及其制备方法、应用，该制备方法主要通过球磨炭气凝胶与包含金属离子的化合物组成的混合物，实现炭气凝胶与包含金属离子的化合物均匀混合；再在反应气氛下加热混合物，在加热过程中，若炭气凝胶中含N原子，则金属离子和炭气凝胶中的氧原子、氮原子等异质原子结合，从而在炭气凝胶骨架上生成金属和异质原子配位的原子级分散结构；若炭气凝胶中不含N原子，则金属离子和炭气凝胶中的氧原子等异质原子结合，同时金属离子与氨气反应，从而在炭气凝胶骨架上生成金属和异质原子配位的原子级分散结构。该制备方法工艺简单，适用于批量大规模生产。

技术领域

本发明涉及氧气还原电催化剂技术领域，尤其是一种炭气凝胶负载原子级分散金属的氧气还原电催化剂及其制备方法、应用。

背景技术

氧气还原反应发生在氢气燃料电池、甲醇燃料电池、金属-空气电池等能源储存或转化装置的阴极，过程通常为氧气分子得到电子，与质子或者氢氧根结合，被还原成水，在动力学上非常缓慢，需要电催化剂来加快反应进行。如何大规模制备出高效、低成本的氧气还原电催化剂，是燃料电池、金属-空气电池等能源转化和储存装置领域重点关注的问题。

现有的氧气还原电催化剂制备方法存在下述问题：需要使用危险有毒的化学试剂；载体孔结构的孔多为微孔，不利于电化学传质过程；成本高。

发明内容

本发明提供一种炭气凝胶负载原子级分散金属的氧气还原电催化剂及其制备方法、应用，用于克服现有技术中需要使用危险有毒的化学试剂，载体孔结构的孔多为微孔，成本高等缺陷。

为实现上述目的，本发明提出一种炭气凝胶负载原子级分散金属的氧气还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1：选取能发生缩聚反应生成大分子网络结构的第一有机物和第二有机物，按摩尔比称取所述第一有机物和第二有机物，溶解于水中，加入催化剂，搅拌至完全溶解，得到有机溶胶；

S2：将所述有机溶胶置于30～90℃环境中静置，直至得到树脂凝胶；将所述树脂凝胶置于50～150℃环境中静置1～240h，得到老化树脂凝胶；对所述老化树脂凝胶进行干燥，得到树脂气凝胶；

S3：在真空条件或者保护气氛下，将所述树脂气凝胶进行裂解，得到炭气凝胶；

S4：将所述炭气凝胶与包含金属离子的化合物按质量比0.1～100混合，球磨，得到混合物；

S5：在反应气氛下，对所述混合物进行加热，冷却后洗涤，抽滤，干燥，得到炭气凝胶负载原子级分散金属的氧气还原电催化剂；当所述炭气凝胶中含N原子时，所述反应气氛为惰性气氛；当所述炭气凝胶中不含N原子时，所述反应气氛为分段通入的氨气气氛和氢气气氛。

为实现上述目的，本发明还提出一种炭气凝胶负载原子级分散金属的氧气还原电催化剂，由上述所述制备方法制备得到。

为实现上述目的，本发明还提出一种炭气凝胶负载原子级分散金属的氧气还原电催化剂的应用，将上述所述制备方法制备得到氧气还原电催化剂或者上述所述的氧气还原电催化剂应用在金属-空气电池和燃料电池中。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、本发明提供的炭气凝胶负载原子级分散金属的氧气还原电催化剂的制备方法主要通过球磨炭气凝胶与包含金属离子的化合物组成的混合物，实现炭气凝胶与包含金属离子的化合物均匀混合；再在反应气氛下加热混合物，在加热过程中，若炭气凝胶中含N原子，则金属离子和炭气凝胶中的氧原子、氮原子等异质原子结合，从而在炭气凝胶骨架上生成金属和异质原子配位的原子级分散结构；若炭气凝胶中不含N原子，则金属离子和炭气凝胶中的氧原子等异质原子结合，同时金属离子与氨气反应，从而在炭气凝胶骨架上生成金属和异质原子配位的原子级分散结构。