[发明专利]一种基于白千层树皮粉的非贵金属电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种基于白千层树皮粉的非贵金属电催化剂及其制备方法和应用。该制备方法包括如下步骤：S1：将咪唑类配体材料、硼源、三聚氰胺、白千层树皮粉和钴盐混合于溶剂中得悬浮液，超声，干燥得产物；S2：将产物和造孔剂混合，碳化得碳化产物；S3：将碳化产物酸洗后干燥即得所述非贵金属电催化剂。本发明提供的制备方法具有工艺流程简单、原料成本低廉、便于宏量制备而适合于工业生产等优点；制备得到的非贵金属电催化剂具有与商业Pt/C催化剂相近的，甚至比商业Pt/C催化剂更高、更稳定的电催化氧还原(ORR)性能，可望应用于大型锌空气电池、铝空气电池以及燃料电池的新能源装置。

技术领域

本发明涉及无机纳米材料及电化学催化领域，特别涉及一种基于白千层树皮粉的非贵金属电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

在燃料电池中氧还原反应(ORR)起关键作用。由于氧还原反应历程复杂、反应能垒高，需要高性能的电催化剂才能促使该反应顺利进行。Pt基催化剂被认为是最有效的氧还原电催化剂；但是，金属Pt价格昂贵，地球资源储量小，无法满足规模化应用的需求，亟需开发一种廉价、取材方便、易于制备的催化剂来取代Pt基催化材料。在此背景下，国际材料科学家发展了多种方法制备了非铂催化剂，如碳载金属大环化合物(ACS Energy Lett.2018,3,252)、金属氧化物(Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,4087)、金属硫族化合物(Adv.Funct.Mater.2017,27,1702300)、金属碳化物(J.Am.Chem.Soc.2017,139,453)、金属氮化物(Biosens.Bioelectron.2016,83,68)、碳载合金(Electrochim.Acta.2016,220,354)等非贵金属催化剂体系。由于燃料电池实际应用场景中对催化剂的性能要求很苛刻，在要求价格低廉的同时，目前开发的这些非铂基氧还原催化剂还未能达到商业化应用的要求，新型、高效、廉价电催化剂的研发仍然迫切而富有挑战。

在价廉量丰非贵金属催化剂中，过渡金属元素(Fe、Co、Ni、Mn等)与氮、硼等非金属元素共掺的生物质多孔炭催化剂表现出了优越的综合性能。生物质基多孔炭材料可再生、取材来源广、价廉、绿色生态。迄今，Fe-N-C催化剂具有酸性条件下最优的ORR催化活性，但是由于铁在酸性条件下易溶解形成铁离子，与ORR反应的副产物H₂O₂形成具有强氧化性的芬顿试剂(Fenton)，严重损害质子交换膜，导致短路而失效，必须发展新的材料体系。目前，Co-N-C体系成为国际研究热点，部分研究结果表明，Co-N-C催化剂应用于燃料电池的ORR过程中明显加快了反应速率，提高了燃料电池的输出功率(Adv.Mater.2019,1805126)。

因此，开发一种价廉量丰，ORR催化活性高，稳定性好的新型Co-N-C催化剂具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有铂/碳ORR电催化剂价格贵、资源量小，以及铁氮碳基ORR电催化剂不稳定的问题，提供一种基于白千层树皮粉的非贵金属电催化剂的制备方法。本发明提供的非贵金属电催化剂以层状结构白千层树皮生物质炭为载体，该载体具有多级孔孔结构、高比表面积等优点，为Co、N、B等掺杂原子提供丰富的嵌布孔道；且白千层树皮来源广泛、可再生、价格低廉；在载体上负载B、N、Co团簇构造，B、N、Co等多元素共掺的协同作用有利于催化性能的提升提高其催化性能。本发明提供的非贵金属电催化剂具有与商业Pt/C催化剂相近、甚至比商业Pt/C催化剂更高、更稳定的电催化氧还原(ORR)性能，具有优异的氧还原催化活性，可望应用于大型锌空气电池、铝空气电池以及燃料电池的新能源装置。本发明提供的制备方法工艺流程简单、原料成本低廉、便于宏量制备而适合于工业生产。

本发明的另一目的在于提供一种基于白千层树皮粉的非贵金属电催化剂。

本发明的另一目的在于提供上述基于白千层树皮粉的非贵金属电催化剂制备燃料电池中的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：