[发明专利]用于氧还原反应的氮掺杂钛基气凝胶电催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种用于氧还原反应的氮掺杂钛基气凝胶电催化剂的制备方法。将碳源、钛源和氮源，以乙醇为溶剂、去离子水为水解剂，通过酸催化剂溶胶‑凝胶工艺制备湿凝胶，湿凝胶经过溶剂置换和超临界干燥得到N‑RF/TiO₂复合气凝胶前驱体，通过改变保护气氛和碳热还原温度对催化剂中元素组成和孔径分布进行调节，进而对催化剂的氧还原催化能力进行调控，获得更多缺陷位点从而提高氧还原活性。本发明采用的溶胶‑凝胶工艺能在分子水平上实现水解‑缩聚反应，对材料组成具有高可控性。本发明制备的氮掺杂钛基气凝胶催化剂材料有较低的反应电阻，Tafel斜率可以于Pt/C催化剂媲美，是潜在的燃料电池及金属‑空气电池的阴极材料。

技术领域

本发明属于电化学催化技术领域，公开了一种可用于氧还原反应(ORR)的氮掺杂钛基气凝胶电催化剂的制备方法。

背景技术

为解决全球能源危机，积极响应国家碳中和、碳达峰政策，必须要发展新型绿色能源。尽管可再生能源环保且资源丰富，但大多数在能源生产过程中表现出间歇性。金属-空气电池、燃料电池是重要电化学能量转换装置，具有能量转换效率高、无噪音污染、环境友好等优点。

氧还原反应(ORR)是金属-空气电池、多类型燃料电池的重要阴极反应，是决定上述电池能量转换效率、能量密度和功率密度等性能的重要反应。商用Pt/C催化剂虽然具有高催化活性，但相应的制备成本和稳定性成为了影响其应用的关键问题。Pt/C催化剂易被反应过程中的CO中间体毒化导致性能下降，催化剂中的Pt对燃料电池中存在的其他有机化合物(例如甲醇，乙醇等)的氧化具有活性，当Pt/C材料用作ORR的阴极催化剂时，有可能导致混合电势，从而降低电池的整体性能。

目前，包括M-N-C型掺氮碳催化剂、过渡金属碳化物、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物在内的非贵金属ORR催化剂材料因其性能表现优异受到了广泛的关注，开发一种储量高、廉价、高效、稳定的过渡金属催化剂成为了ORR催化剂的研究重点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，首次提出了采用溶胶-凝胶法、碳热还原热处理后急冷制备用于氧还原反应氮掺杂钛基气凝胶电催化剂的方法，氮源以溶胶反应物的形式加入到体系中，更易实现对氮含量的调控，通过急冷手段极大程度的保留目标还原温度下的不稳定还原产物，获得更多缺陷位点从而提高氧还原活性。

为实现上述发明内容，本发明采用以下技术方案来实现：

一种用于氧还原反应的氮掺杂钛基气凝胶催化剂的制备方法，其具体步骤如下：

(1)间苯二酚：甲醛：氮源：乙醇：酸按摩尔比为1:(2～3):(0.04～0.1):(8～10):(0.04～0.06)混合均匀制备氮掺杂间苯二酚-甲醛(N-RF)溶胶；

(2)将13～15摩尔份乙醇和4～6摩尔份去离子水混合制备溶液1，1～2摩尔份钛源、0.4～0.6摩尔份硝酸、13～15摩尔份乙醇混合制备溶液2；

(3)钛源：去离子水摩尔比为(1～2)：(4～6)，将步骤(2)中的溶液1和溶液2混合得到TiO₂溶胶；

(4)间苯二酚：钛源摩尔比为1:(1～2)，将步骤(1)中的N-RF溶胶和步骤(3)中的TiO₂溶胶混合均匀后得到N-RF/TiO₂溶胶；

(5)N-RF/TiO₂溶胶于50～70℃反应6～8小时得到N-RF/TiO₂湿凝胶；

(6)将步骤(5)中的湿凝胶经溶剂置换和CO₂超临界干燥得到块状N-RF/TiO₂复合气凝胶；

(7)将步骤(6)中得到的N-RF/TiO₂复合气凝胶在惰性气氛下升温至900～1500℃，保温5～10小时得到氮掺杂钛基气凝胶材料，随后急冷却至室温；