[发明专利]一种Co基MOFs-杂原子掺杂多孔碳的氧还原催化剂及其制法

说明书

本发明涉及氧还原催化剂技术领域，且公开了一种Co基MOFs‑杂原子掺杂多孔碳的氧还原催化剂及其制法，包括以下配方原料：Fe基MOFs、羟基乙叉二膦酸、壳聚糖、甘氨酸、酯化催化剂、复合碱催化剂、缩合剂。该一种Co基MOFs‑杂原子掺杂多孔碳的氧还原催化剂及其制法，N/P的共掺杂使碳材料形成了丰富的孔道和大量的介孔结构，有利于活性位点的形成以及氧还原反应的介质传输，孔碳材料包覆钴化物的核‑壳纳米结构具有更丰富的形貌结构，使催化剂拥有更好的传质性能，并且纳米结构的Co基MOFs煅烧后形成的钴化物均匀地负载到多孔碳材料的孔道中，钴化物改善了碳材料的石墨化程度，增加了碳材料的导电性，促进了氧还原反应的正向进行。

技术领域

本发明涉及氧还原催化剂技术领域，具体为一种Co基MOFs-杂原子掺杂多孔碳的氧还原催化剂及其制法。

背景技术

在日常生活和工业生产中，人们主要通过燃烧化石能源来获取能量，但是带来的全球气候变暖、能源枯竭、环境污染等问题已经日趋严重，因此新型能源转换装置以及能源存储设备以其独特的优势成为研究热点，燃料电池作为一种新型能源转换装置，其阳极反应可以通过电化学催化过程将特定燃料的化学能转化为电能，从而实现能源的转化，在整个电催化实现能源转换的过程中，由于没有传统的化石燃料燃烧过程参与而更加绿色环保，为了保证燃料电池的正常能源转换，同时为了降低成本，其阴极反应通常为氧还原反应(ORR)。

目前燃料电池的阴极氧还原反应(ORR)通常使用铂碳催化剂及其电极材料，来促进氧还原反应的进行，但是贵金属Pt含量稀少，价格昂贵，得大大增加了燃料电池的成本，并且铂催化材料的电化学稳定性普遍较差，在长时间的电池电解过程会逐渐失去活性，此外Fe-N-C类催化剂也具有良好的催化能力，促进氧还原反应的进行，但是Fe-N-C类催化剂在电解液中容易团聚，而减少的活性位点，并且该类催化剂的碳材料石墨化程度较低，导致碳材料的导电性不高，抑制了氧还原反应中电子的传输和扩散，从而降低了氧还原反应的反应速率。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种Co基MOFs-杂原子掺杂多孔碳的氧还原催化剂及其制法，解决了目前氧还原反应催化剂容易团聚，而减少的活性位点的问题，同时解决了催化剂中的碳材料石墨化不高，导致催化剂的导电性较差，而降低了氧还原反应中电子的传输和扩散速率的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种Co基MOFs-杂原子掺杂多孔碳的氧还原催化剂及其制法，包括以下按重量份数计的配方原料：6-21份Fe基MOFs、20-22份羟基乙叉二膦酸、22-25份壳聚糖、14-16份甘氨酸、1-3份酯化催化剂、12-15份复合碱催化剂、10-13份缩合剂。

优选的，所述酯化催化剂为对甲基苯磺酸。

优选的，所述复合碱催化剂为4-二甲氨基吡啶和碳酸钾，两者物质的量摩尔比为1:1.2-1.8。

优选的，所述缩合剂1-羟基-7-偶氮苯并三氮唑。

优选的，所述Fe基MOFs制备方法包括以下步骤：

(1)向体积比为1:2-4的蒸馏水和无水乙醇的混合溶剂中加入Co(NO₃)₂·6H₂O和有机配体2,4,6-三[(对羧基苯基)氨基]-1,3,5-三嗪，将溶液置于超声处理仪中超声分散处理1-2h。

(2)将溶液转移进反应釜中，加热至220-240℃，反应4-6h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，依次使用适量的无水乙醇和蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到Fe基MOFs。