[发明专利]一种具有一维分级结构碳基氧还原催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种具有一维分级结构的碳基氧还原催化剂的制备方法，制备步骤如下：一、称取聚吡咯和表面活性剂，加入溶剂，超声混合均匀后，使用去离子水抽滤，真空干燥；二、称取步骤一处理过的聚吡咯和金属盐，加入甲醇溶剂，超声均匀得混合物A；三、称取2‑甲基咪唑，加入甲醇溶剂，均匀混合得混合物B；四、将混合物B倒入混合物A，搅拌，静置，使用甲醇离心洗涤，真空干燥得到材料C；五、将材料C放入管式炉煅烧，得到分级结构碳基催化剂。由于聚吡咯具有一维结构，有利于电子传输，负载MOF后材料具有一维分级结构，有利于提高传质作用，提高催化活性。同时，材料具有的介孔、微孔共存的分级孔道结构也有助于提高催化剂的活性和稳定性。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，更具体的说是涉及一种具有一维分级结构碳基氧还原催化剂的制备方法。

背景技术

进入21世纪以来，全球化石燃料大量消耗，由此引发的能源和环境问题成为人们面临的最主要问题，开发绿色、清洁、经济的可再生能源已迫在眉睫。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种公认的清洁、高校的绿色能源技术，除具有能量转化效率高、环境友好之外，同时还具有室温快速启动、无电解液流失、易排水、寿命长、比功率与能量高等突出特点，是最具有潜力成为机动动力能源供应装置的燃料电池。高昂的成本是PEMFC目前无法大规模应用的最主要原因，而阴极铂催化剂的成本高达整个体系的55％，因此研制出高催化活性的非贵金属氧还原催化剂至关重要。

过渡金属和氮共掺杂的碳材料被认为是最有希望替代铂催化剂的非贵金属材料。其中钴氮碳催化剂具有良好的催化活性以及优秀的稳定性，因此受到学者们的广泛关注。材料的比表面积对于其催化活性有非常重要的影响，高的比表面积和多孔结构有助于物质传输，提高催化活性。同时，氮元素的含量对于材料的氧还原活性具有至关重要的作用。目前存在的最主要问题是金属原子在高温煅烧的过程中，受到表面自由能的影响，极易团聚形成巨大颗粒，造成活性位点的损失。

因此，在合成催化剂的过程中，提高材料的比表面积、氮含量以及抑制金属原子的团聚具有非常重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有一维分级结构的碳基氧还原催化剂的制备方法，通过在聚吡咯纳米管表面原位负载金属有机框架化合物，抑制了其在高温煅烧过程中的团聚，提高了材料的氧还原催化活性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有一维分级结构碳基氧还原催化剂的制备方法，包括以下制备步骤：

1)称取聚吡咯和表面活性剂，加入溶剂，超声混合均匀后，使用去离子水抽滤，80℃真空干燥；

2)称取步骤1)处理过的聚吡咯和金属盐，然后加入甲醇溶剂，超声均匀得混合物A；

3)称取2-甲基咪唑，加入甲醇溶剂，均匀混合得混合物B；

4)将混合物B倒入混合物A，搅拌一段时间，然后静置，使用甲醇离心洗涤3次，80℃真空干燥得到材料C；

5)将材料放入管式炉，在氩气气氛下煅烧，得到分级结构碳基催化剂。

优选的，所述步骤1)中聚吡咯的浓度为1.25mg/mL。

优选的，所述步骤1)中表面活性剂的浓度为0.25～2.5mg/mL。

优选的，所述步骤1)中溶剂为去离子水或者甲醇或者二者的混合溶液。

优选的，所述步骤1)中表面活性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、乌洛托品。

优选的，所述步骤1)中超声时间为2～4h。

优选的，所述步骤2)中聚吡咯的浓度为2.5mg/mL。