[发明专利]一种金属/氮/碳的分级多孔电催化剂及其制备和应用

说明书

一种基于金属/氮/碳的分级多孔电催化剂，包括N掺杂的C‑C骨架和以金属碳化物的形式掺杂于所述骨架中的金属元素；所述电催化剂中C含量为60‑90％，N含量为1‑15％，金属含量为0.05‑30％；所述电催化剂具有孔径范围在50nm‑1μm的大孔、孔径范围在2‑50nm的介孔和孔径范围小于2nm的微孔。本发明所述的金属/氮/碳分级多孔电催化剂，其大孔和介孔有助于改善传质，微孔有助于氧还原反应活性的提高，过渡金属的加入有助于氧还原反应活性进一步的提高。本发明所述金属/氮/碳的分级多孔电催化剂的制备方法简单、易于实现。其中，碱金属在高温下对导电聚合物的刻蚀有利于比表面积的增大，同时也利于氧还原反应活性及稳定性的提高。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体的说涉及一种金属/氮/碳的分级多孔电催化剂；本发明同时涉及该电催化剂的制备方法和应用。

背景技术

目前，燃料电池商业化进程缓慢，其原因之一是阴极氧还原反应(ORR)所用贵金属催化剂(如Pt及其合金等)资源有限，价格较高。设计一种具有高活性、低成本的非贵金属氧还原电催化剂具有深远的意义。相比于Pt基催化剂，非Pt催化剂单位体积的催化剂活性组分较少，所以催化层的厚度较大。因此，要提高单位体积的活性组分，改善传质，需要设计多孔结构的非Pt催化剂。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，制备了一种金属/氮/碳的分级多孔电催化剂。为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：

一种基于金属/氮/碳的分级多孔电催化剂，所述电催化剂包括N掺杂的C-C骨架和以金属碳化物的形式掺杂于所述骨架中的金属元素，N掺杂的C-C骨架中N以C-N的形式存在。

所述多孔电催化剂中C含量为60-90％，N含量为1-15％，金属含量为0.05-30％。

所述金属为Fe、Co、Ni中的一种或两种以上。

所述多孔电催化剂具有孔径范围在50nm-1μm的大孔、孔径范围在2-50nm的介孔和孔径范围小于2nm的微孔；其中微孔所提供的比表面积占总比表面积的百分比为70-93％。

一种所述基于金属/氮/碳的分级多孔电催化剂的制备方法，包括以下步骤，

(1)电催化剂中N掺杂的C-C骨架的制备：

a.于水和/或乙醇中，加入含有C-N结构的导电聚合物和/或含有C-N结构的大环化合物，同时加入碱金属化合物，将所得混合溶液搅拌均匀后经蒸干溶剂和干燥处理得固体物质A；

b.将步骤a所得固体物质A于500-1000℃下焙烧处理得固体物质B；

c.将步骤b所得固体物质B均匀分散于酸性溶液中，所得混合溶液经过滤、洗涤、干燥得N掺杂的C-C骨架材料；

(2)金属/氮/碳的分级多孔电催化剂的制备：

a.于水和/或乙醇中，加入N掺杂的C-C骨架材料、金属前体盐和金属配体，所得溶液混合均匀后经蒸干溶剂和干燥处理，得固体物质C；

b.将步骤a所得固体物质C于500-1000℃下焙烧得金属/氮/碳的分级多孔电催化剂。

步骤(1)a中所述碱金属化合物为K₂CO₃，KHCO₃，NaOH，Na₂CO₃，NaHCO₃，NaCl、EDTA-2Na、EDTANaFe、Na₃C₆H₅O₇和K₃C₆H₅O₇中的一种或两种以上，所述碱金属化合物与导电聚合物和/或含有C-N结构的大环化合物的总质量的比为1：10-5:1。