[发明专利]一种氮自掺杂多孔碳催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种氮自掺杂多孔碳催化剂及其制备方法与应用。所述氮自掺杂多孔碳催化剂的制备方法包括：1)将生物质水生藻类与活性剂溶液混合得到混合物A，混合物A浓缩得到膏状物；2)步骤1)所得产物在惰性气氛中进行热解；3)热解得到的固体产物使用浓硝酸或王水进行表面处理得到所述催化剂。该制备方法制备得到的催化剂含有碳元素、氮元素和过渡金属元素，过渡金属包括铁、镁、铜中的至少一种。该催化剂能够适用于催化燃料电池中的阴极还原反应、电解水阴极中的析氢反应和电解水阳极中的析氧反应。该催化剂具有优异的HER、OER、ORR活性和稳定性。

技术领域

本发明属于新能源纳米材料技术领域，具体涉及一种氮自掺杂多孔碳催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

随着化石燃料的危机以及过分依赖传统化石燃料造成的环境污染问题日益加剧，迫使科学家转向开发环保和可再生的清洁能源以代替化石燃料。其中，氢气(H₂)作为水分解中阴极反应(HER)的产物，是一种能够作为清洁能源载体。氢能作为一种资源丰富、高能、无二次污染的“绿色能源”，认为是“后石油时代”解决能源危机和环境危机的理想能源之一。水分解的阳极反应(OER)，产生的氧气能够应用到生活生产中的方方面面。而氧还原反应(ORR)是能量转换系统(例如燃料电池)中最关键的反应之一，当与其逆过程(OER)相结合时，可以组装成所谓的可充电金属-空气电池。以上三种反应在能量转换和储存装置中起着至关重要的作用，然而其动力学缓慢严重制约了这些电化学装置的能量转化效率。催化剂是提高电催化反应动力学的关键，高效的电催化剂能够有效降低反应过程所需的能耗，因此研究高效的电催化剂成为可持续能源技术探索的重中之重。但目前电催化剂的材料及制备成本、电化学反应活性和长期有效的稳定性是实现能源低消耗自由转换的最大障碍。以常见的Pt(Science.,2011,334:1256-1260)、Ru(ChemElectroChem.,2014,1:2075-2081)、Au(Nat Commun.,2015,6:8668)等贵金属催化剂为例，虽然这些贵金属催化剂是目前广泛认同的电催化剂，但是其有限的资源、昂贵的价格以及复杂的制备工序导致燃料电池和电解水无法进行大规模商业应用。近年来，非贵金属以及无金属催化剂逐渐成为研究的重点和热点。

碳载体材料具有良好的导电性、特殊的孔结构、较高的比表面积等优点，常被用于负载催化活性组分。然而，传统的碳材料是由煤、石油或其加工产物等为主要原料制备的。但如今全球范围内的能源、资源危机以及生态环境的恶化对传统碳材料的进一步发展提出了挑战。所以，生物质碳材料应势而生，如林业生物质、农业废弃物、能源植物等属于可再生资源，而且大部分生物质材料都含有丰富的碳元素，成为制备各种碳材料的丰富原料。利用生物质材料为原料制备各种碳材料，可以降低碳材料生产成本，实现碳材料的可持续发展。其中以天然高分子材料为原料制备的生物质碳材料比表面积巨大、空隙发达，在能源、环境、医用材料及功能新材料等方面很受青睐。而目前已报道的生物质碳材料大多都是单一功能催化且在不掺杂额外金属活性位点时催化活性并不理想(Chem.Phys.,2016,18,10392-10399)，限制了在燃料电池及水解反应中的应用。因而开发一种具有三功能(HER、OER、ORR)的生物质碳基材料用作能源转换的电催化剂，将有效地降低材料的成本以及对环境的污染，对燃料电池和电解水的商业化具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有HER、OER、ORR三功能的催化剂即能够适用于催化燃料电池中的阴极还原反应、电解水阴极中的析氢反应和电解水阳极中的析氧反应的催化剂。该催化剂具有优异的ORR活性和稳定性，并具有优良的HER和OER活性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种氮自掺杂多孔碳催化剂的制备方法，该方法包括：

1)将生物质水生藻类与活性剂溶液混合得到混合物A，混合物A浓缩得到膏状物；

2)步骤1)所得产物在惰性气氛中进行热解；

3)热解得到的固体产物使用浓硝酸或王水进行表面处理得到所述氮自掺杂多孔碳催化剂。