[发明专利]一种球状氮掺杂碳载钴基氧还原催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明提供一种球状氮掺杂碳载钴基氧还原催化剂，它是通过以下制备方法所制备的：先通过硝酸胍合成3,6‑二(3,5‑二甲基吡唑)‑1,2,4,5‑四嗪(BT)，再在3,6‑二(3,5‑二甲基吡唑)‑1,2,4,5‑四嗪(BT)中加入咪唑合成3,6‑二(咪唑基)‑1,2,4,5‑四嗪(DT)配体，然后使3,6‑二(咪唑基)‑1,2,4,5‑四嗪(DT)与过渡金属钴离子配位形成钴基沸石咪唑酯框架配位聚合物(CoDT‑ZIF)，再通过高温热解钴基沸石咪唑酯框架配位聚合物(CoDT‑ZIF)制备得到球状氮掺杂碳载钴基(Co‑N/C)氧还原催化剂。该催化剂制备方法简易，成本较低，且具有极其丰富的活性位点，有利于推动燃料电池实际应用。

技术领域

本发明涉及一种氧还原催化剂，具体涉及一种球状氮掺杂碳载钴基氧还原催化剂及其制备方法和用途，属于燃料电池科学技术领域。

背景技术

化石能源，如石油、天然气与煤炭的广泛使用推动了人类社会的快速发展，但是化石能源的不可再生以及使用过程带来的环境问题是人类面临的两大难题。开发出环境友好、可再生的新能源和新能源技术已经成为当今世界最为重要的研究热点。

燃料电池是一种通过燃料和氧化剂之间的氧化还原反应将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置，是新一代的发电技术。燃料电池是不经过燃烧直接将化学能转化为电能的新型能量转换系统。燃料电池(Fuell Cell，FC)因为不受卡诺循环的限制、能量转化效率高(达40％-60％)并环境友好，在近年来备受关注。

但是其寿命低、效率低和成本高的缺陷限制了它的大规模商业化应用。主要原因是铂基催化剂成本高且对甲醇氧化的催化性能低。因此，开发出低成本、高活性、高稳定性的ORR非贵金属催化剂对推动燃料电池的大规模商业化应用意义重大。Dai等值的一系列碳载体(RGO和CNT等)负载CoOx纳米颗粒催化剂。由于CoOx纳米颗粒与高石墨化程度的碳载体之间的强化学耦合效应，这些催化剂均显示出优异的ORR电催化性能。(Nature Materials，2011，10：780–786)Feng等以Co(ac)₂和CS₂为原料，通过调控Co²⁺摩尔浓度经一步水热值的具有不同颗粒大小的CoS₂纳米晶电催化剂。结果表明，Co²⁺摩尔浓度越大，CoS₂纳米颗粒越小，电催化性能越优异。(Journal of Materials Chemistry A,2013,1(18):5741-5746)。

发明内容

针对现有技术中对燃料电池氧还原催化剂的需求，发明人合成了钴基沸石咪唑酯框架配位聚合物(CoDT-ZIF)作为前驱体衍生的球状氮掺杂碳载钴基(Co-N/C)氧还原催化剂。该催化剂制备方法简易，成本较低，且具有极其丰富的活性位点，有利于推动燃料电池实际应用。

本发明的主要目的是制备一种以钴基沸石咪唑酯框架配位聚合物(CoDT-ZIF)为前驱体的燃料电池ORR催化剂，其主要特征是先合成出配体3,6-二(咪唑基)-1,2,4,5-四嗪(DT)，再通过溶剂热法将DT与过渡金属钴离子配位，制备出钴基沸石咪唑酯框架配位聚合物(CoDT-ZIF)。再进一步高温热解该配位聚合物得到球状氮掺杂碳载钴基(Co-N/C)氧还原催化剂。

根据本发明提供的第一种实施方案，提供一种球状氮掺杂碳载钴基氧还原催化剂。

一种球状氮掺杂碳载钴基氧还原催化剂，它是通过以下制备方法所制备的：先通过硝酸胍合成3,6-二(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪(BT)，再在3,6-二(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪(BT)中加入咪唑合成3,6-二(咪唑基)-1,2,4,5-四嗪(DT)配体，然后使3,6-二(咪唑基)-1,2,4,5-四嗪(DT)与过渡金属钴离子配位形成钴基沸石咪唑酯框架配位聚合物(CoDT-ZIF)，再通过高温热解钴基沸石咪唑酯框架配位聚合物(CoDT-ZIF)制备得到球状氮掺杂碳载钴基(Co-N/C)氧还原催化剂。