[发明专利]一种多级孔结构氮掺杂碳氧还原催化剂的制备方法

摘要

本发明提供一种多级孔结构氮掺杂碳氧还原催化剂的制备方法，属于燃料电池技术领域。本发明首先采用冷冻干燥方法制备具有三维立体大孔结构的低共熔盐，然后以低共熔盐为模板，掺杂含氮前驱体，过硫酸铵为氧化剂，铁盐为助催化剂，采用氧化聚合法在低共熔盐表面引发含氮前驱体氧化聚合，最后进行高温热解并除去低共熔盐。采用本发明制备的多级孔结构氮掺杂碳氧还原催化剂能够有效避免含氮聚合物前驱体在高温碳化过程中的热解损失、结构坍塌及烧结，提高催化剂产率和氮掺杂效率，并且可以产生大量微孔、介孔和大孔，提高氧气和水的传质效率。本发明方法简单易行，生产成本低廉，制备的催化剂具有优异的氧还原催活性，可以替代现有商业化Pt/C催化剂。

主权项

一种多级孔结构氮掺杂碳氧还原催化剂的制备方法，具体的方法步骤包括：(1)制备低共熔盐模板按氯化锌或氯化锂：氯化钠或氯化钾的质量比为1：0.1～10称取氯化锌或氯化锂和氯化钠或氯化钾，用超纯水分散形成质量浓度为11g/L～110g/L的水溶液，然后放入超低温冰箱中冷冻，最后在冷冻干燥机中冻干，得到低共熔盐模板；(2)氧化聚合按步骤(1)制备的低共熔盐：含氮前驱体：铁盐：过硫酸铵的质量比为1：0.01～0.1：0.01～0.5：0.015～0.3称取低共熔盐、含氮前驱体、铁盐和过硫酸铵，其中所述含氮前驱体为苯胺、邻苯二胺、对苯二胺和间苯二胺的其中之一，铁盐为氯化铁、硫酸铁、硝酸铁和醋酸铁的其中之一；然后以无水乙醇为溶剂，将含氮前驱体、铁盐和过硫酸铵分别溶于无水乙醇形成质量浓度为50g/L～200g/L的含氮前驱体溶液、100g/L～1000g/L的铁盐溶液、100g/L～1000g/L的过硫酸铵溶液，将铁盐溶液和含氮前驱体溶液超声混合均匀后逐滴加入到步骤(1)所制备的低共熔盐模版剂粉末中，滴加时间控制在10～30分钟，然后在球磨机中球磨处理1～3小时，最后将过硫酸铵溶液慢慢加入样品中，继续用球磨机球磨处理1～3小时，干燥后备用；(3)多级孔结构氮掺杂碳氧还原催化剂的制备将步骤(2)所获得的低共熔盐前驱体氧化聚合物置于马弗炉中，以4～10℃/分钟升温速度，将马弗炉升温至90～150℃脱水1～5小时，冷却至室温；然后置于管式炉中，在氮气或氩气气氛保护下，然后以4～10℃/分钟于管式高温炉中升温至600～1000℃热解1～4小时，冷却至室温，然后将上述低共熔盐封装的氮碳掺杂氧还原催化剂溶解在0.1～1摩尔/升的盐酸水溶液中，60～90℃条件下搅拌2～5小时，离心、洗涤、干燥后得到多级孔结构氮掺杂碳氧还原催化剂。