[发明专利]一种生物质基金属单原子-氮-碳催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种生物质基金属单原子‑氮‑碳催化剂及其制备方法和应用，包括：（1）生物质破壁研磨：将植物蛋白质量含量不低于10%的生物质进行破壁研磨，得到生物质胶体溶液；（2）生物质与非贵金属盐混合：向所述生物质胶体溶液中加入非贵金属盐，混合，得到混合前驱体胶体溶液；（3）喷雾热解：将所述混合前驱体胶体溶液喷雾热解，得催化剂粉末；（4）酸洗：将所述催化剂粉末采用酸溶液进行酸洗，制备得到生物质基金属单原子‑氮‑碳催化剂。本发明的方法能实现高分散、高载量生物质基金属单原子‑氮‑碳催化剂的制备，工艺简单，成本低，环境友好，催化剂粉末尺寸小且均一，能够用作质子交换膜燃料电池的阴极氧还原反应的催化剂。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，具体而言，本发明涉及一种生物质基金属单原子-氮-碳催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、能量密度大、环境污染小等优点，能够缓解全球能源危机和环境问题。质子交换膜燃料电池的阴极氧还原反应（ORR）的动力学缓慢且反应势垒过高，导致其相对于阳极氧化反应具有更低的反应速率，严重影响电池的整体性能。Pt基催化剂因其ORR活性高、反应过程中较好的4电子选择性等特点而被用作质子交换膜燃料电池阴极ORR反应的金属单质催化剂材料，但Pt的地球储量少、成本高，不利于质子交换膜燃料电池技术大规模发展。近年来，非贵金属-氮-碳（M-N-C）催化剂因其优异的ORR活性以及丰富的原料储量受到了广泛关注。然而，目前的M-N-C催化剂的仍存在制备流程繁琐、催化剂金属活性位点浓度低、负载量低、易团聚等问题，难以满足需求。因此，急需开发高活性的阴极ORR电催化剂。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：M-N-C催化剂因其高ORR催化活性，被认为是Pt基ORR催化剂的潜在替代者。然而，传统的M-N-C催化剂仍然存在氮源、碳源前驱体成分复杂、需人工合成、不可再生、存在一定毒性等问题。M-N-C催化剂的制备常采用多步高温煅烧，工艺复杂、能耗高，不适于大规模生产应用，且高温煅烧方式得到的M-N-C催化剂颗粒尺寸不均一、活性位点暴露不足。此外，采用传统的M-N-C催化剂中有效M-N_x催化位点分布不均、载量小，导致其性能与商业Pt/C催化剂相比有较大差距。

生物质前驱体逐渐成为M-N-C催化剂的研究热点。生物质前驱体制备M-N-C催化剂具有多种优势：（1）自然储量丰富、成本低、可再生、天然无毒；（2）生物质细胞中有机物富含N、S等天然杂原子，经高温煅烧后，可直接产生杂原子掺杂的碳；（3）生物质在高温热解过程中形成的有序、互连的多孔结构，有利于活性位点的暴露以及分子的传输和吸附。其中，富含高植物蛋白的生物质，植物蛋白含有氮原子，使得其具有丰富的N原子自掺杂的优势，为制备M-N-C催化剂的优选碳源和氮源。高植物蛋白生物中丰富的含N氨基吸附、锚定金属盐之后，经高温裂解，可以用于制备单原子分散的M-N-C催化剂。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种生物质基金属单原子-氮-碳催化剂的制备方法，该方法能实现高分散、高载量生物质基金属单原子-氮-碳催化剂的制备，且制备方法工艺简单，成本低，环境友好，制备得到的催化剂粉末尺寸较小且均一。制备得到的催化剂能够用于质子交换膜燃料电池的阴极氧还原反应（ORR）的催化剂。

本发明实施例提出了一种生物质基金属单原子-氮-碳催化剂的制备方法，包括：

（1）生物质破壁研磨：将植物蛋白质量含量不低于10%的生物质进行破壁研磨，得到生物质胶体溶液；

（2）生物质与非贵金属盐混合：向所述生物质胶体溶液中加入非贵金属盐，混合，得到混合前驱体胶体溶液；

（3）喷雾热解：将所述混合前驱体胶体溶液喷雾热解，得催化剂粉末；

（4）酸洗：将所述催化剂粉末采用酸溶液进行酸洗，制备得到生物质基金属单原子-氮-碳催化剂。