[发明专利]碳氮化物基质上的电催化剂

说明书

本发明涉及包含以良好导电性为特征、配位合适的催化活性位点的碳氮化物(CN)壳的电催化剂。在本发明的优选的方面中，上述碳氮化物壳配位纳米颗粒或纳米颗粒的聚集体，电催化剂的活性位点位于该纳米颗粒或纳米颗粒的聚集体上。在本发明的优选的形式中，所述碳氮化物壳覆盖具有良好导电性的合适的核。所述电催化剂通过涉及合适的前体的热解的工艺而获得；在本发明的一个方面中，制备工艺需要某些另外的步骤。在一个优选的方面中，该步骤包括以下中的一个或更多个：化学处理；电化学处理；另外的热解过程。

描述

本发明涉及包含以良好导电性为特征、配位合适的催化活性位点的碳氮化物基质(CN)的电催化剂。在本发明的优选的方面中，上述碳氮化物基质配位纳米颗粒或纳米颗粒的聚集体，电催化剂的活性位点位于该纳米颗粒或纳米颗粒的聚集体上。在本发明的优选的形式中，所述碳氮化物基质覆盖具有良好导电性的合适的核。所述电催化剂通过涉及合适的前体的热解的工艺而获得；在本发明的一个方面中，制备工艺需要某些另外的步骤。在一个优选的方面中，该步骤包括以下中的一个或更多个：化学处理；电化学处理；另外的热解过程。

发明领域

典型的电化学转换和电能存储系统，例如原电池和二次电池、燃料电池(FC)、电解池(EL)、氧化还原液流电池(RFB)，共享相同的基本结构，该基本结构由以下组成：(a)两个电极配置(electrode configuration)，其中发生实际的还原-氧化(reduction-oxidation)(氧化还原(redox))过程，该两个电极配置被(b)合适的电解质隔开，该电解质允许离子物质(但不是电子)的选择性迁移并且防止试剂混合。

电极配置在能量转换操作和存储设备的操作中起着至关重要的作用，其实现以下主要功能：(a)在设备和外部负载之间建立电接触；(b)将电子传输至电解质与每个电极配置之间的界面和从该界面输送电子；(c)产生合适的环境，在该环境中可以有效地进行设备的操作中涉及的氧化还原过程。在开放设备(例如，FC、EL和RFB)的情况下，电极配置还必须允许试剂和反应产物在外部环境和电解质与电极配置之间的界面之间容易迁移。

通常，用于能量的转换和存储的实际系统的操作电势差并不对应于基于由特定设备进行的电化学过程所预期的理论电势。在大多数情况下，这种差异可归因于三个主要来源，即：(a)可归因于电极配置的电化学反应的动力学的损失；(b)欧姆损失；(c)可归因于在电极隔室中的试剂和产物的传输的损失。这些损失的绝对数量和相对数量主要取决于：(a)由所讨论的设备使用的特定电化学过程；(b)设备中包含的功能部件，(c)功能条件；(d)电子通过系统的流动。

在许多情况下，电极配置中发生的电化学反应的动力学非常缓慢。因此，它们产生高的过电压，并且这样的设备的效率大大降低。例如：(a)T250℃时的氧还原反应(ORR)(b)T250℃时的氧析出反应(OER)(其典型地发生在低温操作的EL中)；以及(c)T250℃时醇和其他有机小分子的电氧化(其典型地发生在低温操作的某些FC中)。为了使损失最小化并达到符合实际应用要求的性能水平，有必要借助于合适的电催化剂(EC)加速上述电化学过程的动力学。

EC能够增加在位于催化材料表面的活性位点处发生的感兴趣的电化学过程的转换率(turnover)。EC与参与感兴趣的电化学过程的氧化还原物质相互作用。通常，EC的显著特征是高电导率和大表面积，并且能够与电解质建立良好的离子接触。