[发明专利]氮掺杂有序分级介孔碳催化剂的制备及其碳催化剂和应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂有序分级介孔碳催化剂的制备方法及其在质子交换膜燃料电池中的应用。该催化剂是通过二元混合模板法制成，即以三嵌段共聚物作为软模板剂，分子筛作为硬模板剂，选用可溶性树脂作为碳源，在制备过程中添加过渡金属盐，原位引入过渡金属元素，同时通过氨气气氛焙烧引入氮元素。该氮掺杂有序分级介孔碳材料具有高活性比表面和优良的传质性能，展现出优异的氧还原催化性能和良好的电化学稳定性。本发明的碳材料，首次实现了二元混合模板剂法在氧还原碳基催化剂制备中的应用，同时具有工艺重复性好、成本低和环境友好等优点。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体是一种氮掺杂有序分级介孔碳催化剂在质子交换膜燃料电池中的应用。

背景技术

燃料电池具有响应速度快、能量转换效率高、能量密度高且环保无污染等优点，其在移动电源、固定电站、分散式电站以及军用电源等领域具有光明的应用前景。经过研究者几十年的努力，燃料电池的关键材料得到突破，获得了长足的发展。然而，目前燃料电池却始终没有得到大规模的商业化应用，其昂贵的成本是一个重要的原因。作为燃料电池的关键材料之一，铂基催化剂由于其资源稀少，成本昂贵，成为了阻碍燃料电池产业化进程的重要因素。因此，为了降低催化剂成本，实现燃料电池的商业化，研究开发廉价的非贵金属催化剂是一条必经之路。

碳纳米材料在分子纳米尺度上具有十分独特的催化作用，在许多领域表现出了应用价值，引起了科研工作者的高度重视。近些年的研究表明，碳材料引入杂原子(如氮原子、磷原子、硫原子等)后，材料在氧还原反应中表现出较高的催化活性。研究者们认为掺杂的杂原子改变了碳纳米材料的微观结构和表面电子态，削弱了氧分子的O-O键，从而发生氧还原反应。与此同时，研究者们发现，碳材料根据其比表面与孔结构的不同，催化活性表现出较大差异。因此开发具有高比表面及适宜孔结构的杂原子掺杂纳米碳材料用作高性能燃料电池催化剂成为研究热点之一。

有序介孔碳材料由于具有高导电性、高比表面、高稳定性及孔结构可调控等特性，在催化剂应用领域越来越受到研究者们的关注。同时，通过软模板诱导自组装的制备工艺，实现了杂原子的原位引入和孔结构调控，制备工艺简单、重复性好。因此，杂原子改性的有序介孔碳材料被认为是一种具有良好应用前景的燃料电池非贵金属催化剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮掺杂有序分级介孔碳催化剂及其二元混合模板剂制备方法、并将其应用于质子交换膜燃料电池阴极。

为实现上述目的，本发明采用的的技术方案如下：

所述的燃料电池阴极催化剂为一种过渡金属-氮/碳有序分级介孔材料，采用二元混合模板剂法制备，比表面积为500-1200㎡.g^-1，总孔容为2—3㎝³.g^-1，其中介孔容积占总孔容比例为30—70﹪，金属元素含量为0.1—2％，氮元素含量为1—10％。

其所述氮掺杂有序分级介孔碳催化剂的具体制备方法如下：

其所述氮掺杂有序分级介孔碳催化剂的具体制备方法如下：

(1)取间苯二酚或苯酚放入容器中，在30—50℃恒温水浴中搅拌10—40min，使其融化得到溶液A；

(2)将质量分数为10—20wt.％的NaOH溶液加入到上述溶液A中，保持50℃水浴搅拌均匀，得到溶液B，其中间苯二酚或苯酚与NaOH的摩尔比为15:1—5:1；

(3)向溶液B中加入质量分数10—40wt.％的甲醛溶液，其中间苯二酚或苯酚和甲醛的摩尔比为1:5—1:1，调节水浴温度至40—80℃，持续搅拌0.5—4h，制备得到可溶性酚醛树脂溶胶C；

(4)取出溶胶C，冷却至室温后用0.5—2M盐酸调节溶液至PH＝7或8，得到树脂溶液D；