[发明专利]纳米级锡氮碳材料、其制备方法及作为碱性条件下氧气还原电催化剂的应用

说明书

本发明提供一种纳米级锡氮碳材料，以氮碳元素为骨架，锡元素掺杂其中。本发明还提供一种以ZIF‑8为模板，在其中掺杂锡元素，得到掺杂锡元素的ZIF‑8并研磨，然后煅烧，除去ZIF‑8中的锌元素，从而得到该材料的制备方法。该材料成本低，在碱性条件下对氧气还原具有良好的电催化性，同时具有良好的催化稳定性与良好的甲醇耐受性，因此可作为还原氧气的电催化剂而替代目前采用的贵金属氧气还原电催化剂。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种纳米级锡氮碳材料、其制备方法及作为碱性条件下氧气还原电催化剂的应用。

背景技术

随着世界人口的增长和化石燃料能源的逐渐减少，世界能源供应可能无法满足日益增长的需求或可持续的环境目标。许多国家已经把发展绿色低碳经济作为长期目标。燃料电池可以用作高效的发动机技术，以取代传统的内燃发动机、涡轮机或锅炉，以节省能源和减少排放。其次，燃料电池可用作可再生能源供应链中的新能源储存技术。

燃料电池实际上是一种电化学装置，是通过燃料在阳极发生的氧化过程和氧气在阴极被还原的过程直接把化学能转变为电能。燃料电池的性能由阴极上发生的氧还原反应(ORR)决定，因为ORR的速率比阳极发生的氢氧化反应(HOR)慢几个数量级。因此，我们把主要目标放在阴极电催化剂的研究。

目前，商业使用的阴极催化剂主要是Pt基催化剂，因为与其他金属相比，元素Pt具有高活性。然而，元素Pt本身也存在严重的缺陷，例如，可能涉及到的竞争性反应，由甲醇交叉引起的催化剂活性位点中毒以及催化剂的溶解，这些缺陷在实际应用中会抑制Pt的催化活性。此外，Pt价格昂贵，储量有限，严重制约了其适用性和商业化规模。例如，目前的燃料电池汽车如果采用质子交换膜燃料电池，需要约30g Pt，保守地计算，为质子交换膜燃料电池本身增加了数千美元的额外成本。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供了一种新型的纳米级锡氮碳材料，以氮碳元素为骨架，锡元素掺杂其中，形成一种具有骨架结构的锡氮碳纳米材料。该材料成本低，在碱性条件下对氧气还原具有良好的电催化性，同时具有良好的催化稳定性与良好的甲醇耐受性，因此可作为还原氧气的电催化剂而替代目前采用的贵金属氧气还原电催化剂。

本发明还提供了一种制备上述纳米级锡氮碳材料的方法，包括如下步骤：

(1)以锌-有机骨架(ZIF-8)为模板，在其中掺杂锡元素，得到掺杂锡元素的ZIF-8并研磨；

(2)煅烧步骤(1)得到的掺杂锡元素的ZIF-8，以除去ZIF-8中的锌元素，得到所述的纳米级锡氮碳材料。

所述ZIF-8是沸石咪唑类金属有机框架(ZIFs)中的一类，是由锌离子和甲基咪唑相互作用形成的三维网络结构。

所述ZIF-8的制备方法不限，包括原位合成法、二次生长法等。作为一种实现方式，采用锌盐和配体溶液，将二者均匀混合，然后离心、干燥，获得ZIF-8。所述锌盐不限，可以选自二水合醋酸锌、氯化锌、六水合硝酸锌等中的一种或几种。所述配体中除了甲基咪唑，还可以包括聚乙烯吡咯烷酮、六亚甲基四胺、十六烷基三甲基溴化铵等中的一种或者几种。

作为一种优选的实现方式，所述的步骤(1)如下：

将沸石咪唑类金属有机框架材料(ZIF-8)与锡盐溶液混合，然后离心、干燥，得到掺杂锡元素的ZIF-8，然后研磨该掺杂锡元素的ZIF-8。所述锡盐不限，可以选自二水合氯化亚锡、草酸亚锡、硫酸亚锡等中的一种或者几种。

所述的步骤(1)中，作为优选，ZIF-8与锡元素的质量比为100:1-100:10，更优选为100:2.5-100:7.5，最优选为100:5。

所述的步骤(2)中，作为优选，在惰性气体保护中煅烧所述的掺杂锡元素的ZIF-8。

所述的步骤(2)中，作为优选，煅烧温度为900℃-1200℃。