[发明专利]一种高活性电化学氧还原催化剂的制备方法

说明书

本发明属于化学催化技术领域，具体涉及一种高活性电化学氧还原催化剂的制备方法。首先将酞菁材料超声搅拌溶解在有机溶剂中，然后采用有机物浸出的方式负载到经过特殊处理的导电材料上，再通过过滤、清洗，获得高活性电化学氧还原催化剂。本发明开发高活性电化学氧还原催化剂的制备方法，所得到的电化学氧还原催化剂具有优异的电化学性能。该方法原材料成本低，反应过程简单，实验操作难度小，实验可重复性好，并且无难除的添加剂。所制备的高活性电化学氧还原催化剂，具有很高电化学氧气还原效率和良好的电化学稳定性，相对于传统商业Pt/C(0.86V)，在同样条件下本发明制备得到的高活性电化学氧还原催化剂，其半波电位能达到0.9V。

技术领域

本发明属于化学催化技术领域，具体涉及一种高活性电化学氧还原催化剂的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池因为能量密度高，能量转换效率高以及低排放甚至无污染近些年来受到广泛关注，但是缓慢的电化学氧还原反应在很大程度上限制了电池的发展，提高电化学氧还原催化剂的活性是促进质子交换膜燃料电池发展的最主要因素。现有的氧还原催化剂中铂基催化剂是传统使用的贵金属催化剂，它的转换效率高，但同时存在高效率催化反应不能长时间保持稳定的问题。还有一个同样严重的问题，铂是一种储量低，成本高的材料，阻碍了他的大规模商业化应用。因此，质子交换膜燃料电池要实现大规模商业化，最急切的需要是寻找一种非贵金属材料的催化剂，在降低制造成本的同时能保持较高的电化学氧还原转换效率和良好的电化学稳定性。

近些年来，人们研究了大量的非贵金属材料来替代铂。包括过渡金属硫族化合物、氮掺杂的碳纳米管或石墨烯、碳氮化合物、导电高分子衍生材料、金属氮碳配合物等，仍然存在活性不足和低稳定性的问题。在众多金属氮4大环配合物中，铁酞菁(酞菁亚铁(II))在电化学氧还原的效果是比较出众的，并且铁酞菁的合成比较简单，并且其成本价格相比其他材料贵金属材料会降低很多。但现有铁酞菁电化学氧还原催化剂主要存在以下两点问题：反应过程中铁酞菁会出现团聚的现象，无法保持较长时间的稳定性；铁酞菁的导电能很差，电阻很高，阻碍了电化学氧还原效率的进一步提高。从而，铁酞菁还无法超越与现有已经商业化的铂基催化剂，所以需要一种特殊的处理方式来进一步提高铁酞菁的活性。

发明内容

本发明的目的是提供一种高活性电化学氧还原催化剂的制备方法，采用简单的有机物浸出的方式制备得到高活性电化学氧还原催化剂。该方法原材料成本低，实验操作简单，反应过程明了，实验可重复性好，所制备的高活性电化学氧还原催化剂具有很高电化学氧气还原效率和电化学还原稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高活性电化学氧还原催化剂的制备方法，首先将酞菁材料超声搅拌溶解在有机溶剂中；然后采用有机物浸出的方式，将酞菁材料负载到经过特殊处理的导电材料上；再通过过滤、清洗，获得高活性电化学氧还原催化剂；其中，特殊处理是指功率恒定在50～100W，进行氧等离子体轰击15～60min。

所述的高活性电化学氧还原催化剂的制备方法，具体步骤如下：

(1)取有机溶剂通过0.5～2h的超声、0.5～2h的搅拌操作使酞菁材料完全溶解，使有机溶剂中没有任何沉淀，形成酞菁溶液；

(2)将经过特殊处理的导电材料加入酞菁溶液中，保持密封，搅拌30～40h，让酞菁材料吸附在导电材料上；

(3)充分反应后，通过抽滤的方式将溶液中的固体物质分离出来，清洗干燥得到黑色固体粉末催化剂，即所述高活性电化学氧还原催化剂。

所述的高活性电化学氧还原催化剂的制备方法，步骤1)中，有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，其加入量为10～100ml；酞菁材料为铁酞菁，其加入量为1～10mg。

所述的高活性电化学氧还原催化剂的制备方法，步骤1)中，完全溶解后的酞菁溶液中，酞菁的浓度为0.01～0.1g·L^-1。