[发明专利]一种非贵金属氧还原催化剂及其制备和应用

权利要求书

1.一种非贵金属氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：包括片状的石墨烯载体，片状石墨烯载体的相邻片层之间具有氮掺杂的碳骨架，石墨烯片层被氮掺杂的碳骨架分隔开，于石墨烯的片层上附着有纳米粒子；纳米粒子为碳包覆的非贵金属颗粒，碳包覆的非贵金属碳化物颗粒，碳包覆的非贵金属氮化物颗粒，或非贵金属、非贵金属碳化物、非贵金属氮化物中的一种或两种以上被碳包覆的颗粒中的一种或两种以上，包括以下步骤，

(a)前处理过程：于水中加入氧化石墨和非贵金属的前体盐并混合均匀；

(b)催化剂的预制备：于步骤(a)所得混合溶液中加入含氮小分子和Nafion溶液，混合均匀后加入氧化剂，反应12-48h使含氮小分子聚合，然后蒸发溶液至溶液的固含量不大于20％，冷冻干燥后得气凝胶；

(c)催化剂的制备：将步骤(b)所得气凝胶于惰性气氛中从室温程序升温至600-1000℃后自然冷却至室温，得非贵金属氧还原催化剂。

2.如权利要求1所述非贵金属氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：所述非贵金属颗粒为铁、钴、镍中的一种或两种以上；非贵金属碳化物为碳化铁、碳化钴、碳化镍一种或两种以上；非贵金属氮化物为氮化铁、氮化钴、氮化镍一种或两种以上。

3.如权利要求1所述非贵金属氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：所述纳米粒子的粒径为50-150nm，碳包覆层的厚度为1-15nm。

4.如权利要求1所述非贵金属氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：所述石墨烯载体的质量含量为57-79％；所述氮掺杂的碳骨架的质量含量为20-40％；所述纳米粒子的质量含量为0.05-3.5％。

5.如权利要求1或4所述非贵金属氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：所述氮掺杂的碳骨架中氮的掺杂量为3.9-7.8％。

6.如权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于：还包括催化剂后处理过程，所述后处理过程为依次采用酸处理、洗涤、干燥对所得固体物质进行后处理，得所述非贵金属氧还原催化剂。

7.如权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(c)所述催化剂的制备过程还包括重复步骤(c)2次以上。

8.如权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于：

步骤(a)所述的非贵金属的前体盐为酞菁铁、醋酸亚铁、硫酸亚铁、氯化亚铁、硫酸铁、硝酸铁、氯化铁、醋酸铁、硫酸钴、硝酸钴、氯化钴、醋酸钴、醋酸镍、氯化镍和硝酸镍中的一种或两种以上；

步骤(b)所述含氮小分子为吡咯或吡咯衍生物、苯胺或苯胺衍生物中的一种或两种以上；所述氧化剂为过硫酸铵、过氧化氢中的一种或两种；所述Nafion溶液的溶剂为水、乙醇、异丙醇、正丙醇、乙二醇中的一种或两种以上。

9.如权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于：

步骤(a)中氧化石墨于水中的质量浓度为0.1-2.0mg/ml；非贵金属前体盐的质量为氧化石墨质量的0.1％-30％；

步骤(b)中含氮小分子的质量浓度为1.0-10.0mg/ml；氧化剂与含氮小分子的物质量比为1:2-2:1；Nafion的质量与氧化石墨加上非贵金属的前体盐中金属的质量比为1:19-19:1。

10.如权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(b)蒸发溶液过程的温度为80℃-95℃。

11.如权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(b)所述冷冻干燥过程具体为在压力不大于600Pa条件下处理24-72h。

12.如权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(c)所述程序升温速率为3-25℃/min，惰性气氛为氮气、氦气、氩气中的一种或两种以上；所述自然冷却前需保温一段时间，所述保温时间为1-4h。