[发明专利]氮掺杂碳微球/Pd复合催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种氮掺杂碳微球/Pd复合催化剂及其制备与应用，所述制备方法包括以下步骤：（1）将碳材料加入硝酸溶液中，搅拌，加热并保温，冷却后过滤，干燥；（2）将步骤（1）中制备的碳材料在保护气氛围下升温300～1000℃煅烧，得到黑色粉体材料；（3）将步骤（3）获得的黑色粉体材料、水、硫酸铵、过硫酸铵，以及硝酸钯混合配制成水溶液，搅拌，加热并保温，冷却后过滤，干燥。本申请中催化剂氧还原催化活性高并且稳定性好，方法简单。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂碳微球/Pd复合催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

锌空气电池是绿色环保洁净能源。锌空气电池具有比容量大、理论能量密度高、电极材料储量丰富、性能稳定、低毒性和无污染、技术成熟安全性高等众多优点，已成为当今世界能源领域的开发热点，展现出巨大的市场前景。锌空气电池由于可以长时间提供稳定的小电流，因此被广泛应用于航海中的航标灯、无人观测站、无线电中继站等。而且以锌空气电池作为手机电池，比普通使用的镍氢电池、锂离子电池便宜三分之二，通话时间更长。然而，由于锌空气电池缺乏合适的空气扩散电极催化剂，使其放点电流密度偏小，从而大大限制了锌空气电池的应用领域和产业化步伐。

在锌空气电池中，起最重要作用、也是最影响电池性能特性的，就是空气电极的催化剂。现有的催化剂主要有，贵金属及其合金、活性炭、MnO₂等。贵金属及其合金，例如Pt、Ag及Pt合金等，这类催化剂的活性较好，但是价格昂贵。活性炭、MnO₂等催化剂，虽然成本低，但是催化活性也较低；并且，氧气在电极界面上的反应速度慢，以其作为催化剂的电池放电电流密度小，满足不了家用电子设备的使用要求。金属氧化物材料由于具有很好的电催化活性而备受关注，然而其仍存在制备过程繁琐，成本较高等特点。

因此，亟需研发一种催化活性高、化学稳定性好、制备工艺简单的锌空气电池空气电极的催化剂，以满足日益发展的锌空气电池的使用需求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氮掺杂碳微球/Pd复合催化剂及其制备方法和应用，用于解决现有技术中氧化还原电催化剂制备成本高、工艺复杂、活性低而导致锌空气电池无法真正商业化的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种氮掺杂碳微球/Pd复合催化剂的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：

(1)将碳材料加入硝酸溶液中，搅拌，加热并保温，冷却后过滤，干燥；

(2)将步骤(1)中制备的碳材料在保护气氛围下升温300～1000℃煅烧，得到黑色粉体材料；

(3)将水、硫酸铵、过硫酸铵，以及硝酸钯、步骤(2)获得的黑色粉体材料混合配制成水溶液，搅拌，加热并保温，冷却后过滤，干燥。

进一步地，所述碳材料为Vulcan Carbon。更优选地，碳材料为Vulcan XC-72Carbon。

进一步地，所述步骤(1)中的硝酸溶液是指硝酸水溶液，更优选为稀硝酸溶液。所述稀硝酸浓度是1mol/L。

进一步地，所述步骤(1)搅拌混合是指在常温下以90～120rpm速度搅拌0.5～2h。

进一步地，所述步骤(1)中搅拌之后进行超声处理，再加热，所述超声处理是指200～800W超声0.5～2h。

进一步地，所述步骤(1)中加热并保温为85-95℃，时间为1-3h。

进一步地，所述步骤(2)中煅烧时间为1.5～3h，升温速度为3～5℃/min。

进一步地，所述步骤(2)升温至300～1000℃。

进一步地，所述保护气是指还原性气体；更进一步地，所述保护气是指氮气以及惰性气体。