[发明专利]一种缺陷工程法制备非金属氧还原催化剂

说明书

本发明公开了一种缺陷工程法制备非金属氧还原催化剂，步骤如下：(1)取0.30g有序介孔碳CMK‑3分散于无水丙酮溶液中，超声洗涤3h后，60℃真空干燥；(2)取7.68g乙酸锌溶解于700ml的无水乙醇中，在75℃的油浴锅中回流搅拌约30min至乙酸锌完全溶解，然后滴加30ml 2mol/L的KOH‑乙醇溶液，继续回流15min，冷水浴5min，得到ZnO量子点溶液；(3)将无水丙酮洗涤处理后的CMK‑3分散于上述ZnO量子点溶液中，室温磁力搅拌24h，离心机10000rpm下离心得到复合材料CMK‑3@ZnO，室温下干燥；(4)将干燥后的复合材料CMK‑3@ZnO在900℃下高温热处理2h；本发明采用ZnO量子点作为碳消耗剂和高温供氧剂，通过高温热处理，发生碳热还原反应，提供了一种简单、环保的缺陷工程法制备非金属氧还原催化剂。

技术领域：

本发明涉及一种缺陷工程法制备非金属氧还原催化剂，具体地说是以ZnO量子点为高温供氧剂与碳消耗剂，以一种三维有序介孔碳纳米材料CMK-3作为碳基质，以氮气为保护气体，通过高温热处理，在碳表面发生碳热还原反应，制备出一种富含碳缺陷的非金属氧还原催化剂。

背景技术：

开发应用于氧还原反应(ORR)的高催化活性和稳定性的氧还原催化剂对于锌-空气电池(ZABs)、质子膜燃料电池(PEMFCs)等一系列用于能量转换和存储的可再生能源技术的发展至关重要。然而，该反应过程涉及多步骤质子耦合、电子转移过程，其迟缓的动力学限制了氧电催化剂的选择，使得Pt及其合金仍旧是目前最好的ORR催化剂。然而Pt基催化剂除了价格高昂，资源稀缺性等问题外，它们仍然面临着差的稳定性和对甲醇耐受性等问题，这限制其了大规模工业化应用的可能性。因此开发高效、稳定、经济的氧电催化剂是目前面临的主要挑战。近年来，碳纳米材料已被研究作为氧电催化剂材料的主要选择，其具备许多优点，例如成本低廉，导电率高和环境友好等。更重要的是，碳纳米材料通常表现出优异的稳定性和甲醇耐受性，这使其更容易适应复杂的电池工作环境，然而碳纳米材料往往表现出低调的催化活性，如何提高其氧还原催化活性是目前研究的重点。

目前，非金属氧还原催化剂的制备，往往需要进行杂原子的掺杂，来提高催化活性，但杂原子的掺杂往往制备过程繁琐，且不利于研究纯碳材料催化活性的起源，因此我们制备了一种富缺陷的三维(3D)介孔碳纳米材料，利用氧化锌量子点作为高温供氧剂和碳消耗剂，通过高温热处理，进行碳热还原反应的碳缺陷工程，在碳表面原位构筑碳缺陷作为氧还原活性位点，得到的富缺陷无掺杂三维介孔碳纳米材料，与有序介孔碳CMK-3相比，氧还原催化活性得到了显著的提升。

发明内容：

本发明提供了一种简单、廉价的非金属氧还原催化剂的制备方法。

本发明的技术方案如下：

(1)取0.30g有序介孔碳CMK-3分散于无水丙酮溶液中，超声洗涤3h后，60℃真空干燥；

(2)取7.68g乙酸锌溶解于700ml的无水乙醇中，在75℃的油浴锅中回流搅拌约30min至乙酸锌完全溶解，然后用滴管向上述溶液中滴加30ml2mol/L的KOH-乙醇溶液，继续回流15min，冷水浴5min，即得到透明的ZnO量子点溶液，该溶液在365nm的紫外灯下照射呈现亮眼的荧光黄色；

(3)将无水丙酮洗涤处理后的CMK-3超声分散于上述ZnO量子点溶液中，室温磁力搅拌24h，离心机10000rpm下离心得到复合材料CMK-3@ZnO，并在室温下干燥；

(4)将干燥后的复合材料CMK-3@ZnO转移到石英舟中，以惰性气体N₂作为保护气体，在900℃下高温热处理2h；将得到的碳材料分别用5％盐酸，水和乙醇洗涤三次，经60℃真空干燥5h后即可得到非金属氧还原催化剂CMK-3@ZnO-900。

本发明具有以下优越性：