[发明专利]一种氧还原催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于能源催化剂领域，公开了一种氧还原催化剂及其制备方法和应用。该氧还原催化剂具有多孔结构，该氧还原催化剂包括C、N、O、P、Fe，N、O、P和Fe在该氧还原催化剂中的总质量分数低于14％。该氧还原催化剂表现出优异的氧还原性能，在碱性电解液条件下的氧还原半波电势可超过0.87V，在酸性电解液条件下的氧还原半波电势可超过0.76V。本发明的氧还原催化剂不含贵金属，不仅制备成本低，而且本发明的氧还原催化剂的催化活性与贵金属催化剂的催化性能相当。该氧还原催化剂的制备过程无需使用模板，简化了制备过程，十分适合工业量产。

技术领域

本发明属于能源催化剂领域，特别涉及一种氧还原催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

当前人类社会面临着能源短缺和环境恶化两大问题，增加可再生能源在新型能源体系中的比例显得尤为重要。可再生能源的波动性使得其需要配合使用电化学能量存储与电化学能量转换器件，而氧气还原反应又是多种电化学能量存储与电化学能量转换器件中的核心过程。因此，可催化氧气快速还原的催化剂逐渐引起了人们的关注。目前燃料电池、金属-空气电池等包含氧气还原反应的清洁绿色电池普遍使用贵金属基催化剂(例如含Pt催化剂)，由于贵金属在地球上的含量少，且制备成本过高，这限制了贵金属基催化剂的大规模发展与应用。因此，在保障催化性能的前提下，使用不含贵金属的催化剂来降低催化剂的制备成本已经成为该领域的热门方向。

现有技术中暂时没有或极少有不使用贵金属来制备催化剂，且制得的催化性能与贵金属基催化剂(例如含Pt催化剂)在氧气还原反应中的催化性能相当。另外，现有技术中的催化剂往往需要使用模板，制备过程相对复杂，提高了生产成本，不利于催化剂的产业化。

因此，亟需提供一种新的催化剂，该催化剂在不使用贵金属的情况下，还具有良好的催化活性。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种氧还原催化剂及其制备方法和应用。本发明所述氧还原催化剂不含贵金属，不仅制备成本低，而且所述氧还原催化剂的催化活性与贵金属催化剂的催化性能相当，甚至超过贵金属催化剂的催化性能。且本发明所述氧还原催化剂的制备过程无需使用模板，大大简化了氧还原催化剂的制备过程，有利于本发明所述氧还原催化剂的工业化生产。

本发明的发明构思为：本发明以聚乙烯基咪唑与硝酸锌或六水合硝酸锌配位而成的配位聚合物为基础，引入铁源和磷源获得了掺杂型前驱体，然后将掺杂型前驱体进行碳化处理，在碳化处理的过程中，低沸点的锌向外挥发产生大量微孔，铁向内取代锌的位置与氮配位，因柯肯达尔效应产生了大量孔径各异的纳米孔洞，使得制得的氧还原催化剂具有高的比表面积，提高了氧还原催化剂内部活性位点的暴露程度。且本发明在未使用模板剂、酸洗等复杂工艺流程的情况下，获得了铁磷掺杂型多级孔碳基类型的氧还原催化剂。该氧还原催化剂的制备过程快速简便，在酸性条件及碱性条件下均具有优异的氧还原催化性能，适合大规模推广应用。

本发明的第一方面提供一种氧还原催化剂。

具体的，一种氧还原催化剂，所述氧还原催化剂具有多孔结构，所述氧还原催化剂包括C、N、O、P、Fe，所述N、O、P和Fe在所述氧还原催化剂中的总质量分数低于14％。

优选的，所述氧还原催化剂的多孔结构中孔径为5-100nm；进一步优选的，所述氧还原催化剂的多孔结构中孔径为5-50nm。所述氧还原催化剂主要含5-50nm孔径的介孔，但少部分介孔相互连通，可形成更多孔径的孔。

优选的，所述C在所述氧还原催化剂中的质量分数不低于86％；进一步优选的，所述C在所述氧还原催化剂中的质量分数不低于92％。

优选的，所述P在所述氧还原催化剂中的质量分数为0.1-1.5％；进一步优选的，所述P在所述氧还原催化剂中的质量分数为0.2-1.0％。