[发明专利]一种聚吡咯凝胶负载铜磷原子复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明为一种聚吡咯凝胶负载铜磷原子复合材料的制备方法及应用。该方法在合成吡咯凝胶时加入了氯化铜作为引发剂，使吡咯单体络合，又加入植酸作为磷源，引入P非金属杂原子，热解制成Cu‑N/P‑C结构，得到聚吡咯凝胶负载铜磷原子的复合材料；将复合材料负载在燃料电池的阴极上作为催化剂。本发明制备方法简单，原料易得，成本很低，反应可控，且产量较大，适用于大批量生产，制备的电催化材料电催化氧还原性能优异，电流密度大。

技术领域

本发明属于吡咯凝胶符合材料技术领域，尤其涉及金属和非金属的混合复合材料，更具体的涉及一种金属铜和非金属杂原子磷混合掺杂的制备方法和用于氧气还原反应的应用。

背景技术

随着世界人口的急剧增长和社会工业的快速发展，人们对于能源的需求越来越高，以煤炭等化石燃料为主的能源消耗使得环境污染问题日益突出，导致了能源危机与环境的严重破坏，因此新型清洁能源的研究开发被提上了日程。其中燃料电池由于其高效、绿色、稳定的特点得到了人们的广泛研究，以锌-空气电池、氢氧燃料电池等为代表的能源转换装置，在阴极电极上会发生氧还原反应(ORR)，而燃料电池的阴极氧还原反应(ORR)是驱动整个电池的核心反应，该反应需要高效的电催化剂来提高能量的转换效率。目前人们使用性能较好的贵金属Pt基催化剂，由于其具有高成本、低稳定性和低耐毒性等缺点，其工业应用收到了限制，所以开发多种用于取代贵金属催化剂的高效、绿色、稳定、廉价的非贵金属催化材料成为了研究热点，而单原子催化是当下比较有代表性的一类催化剂。近年来，单原子催化剂因其100％的原子效率引起了人们的极大关注。单原子的结构是由氮掺杂碳基体配位于固定孤立的活性金属中心的锚定位点，形成金属氮碳(M-N-C)原子界面，而极大的提高ORR的活性。其中，具有过渡金属/氮掺杂的碳基结构的催化剂表现出良好的ORR性能，过渡金属通常是铁、钴或镍，而铜同样作为过渡金属的一种，在最近才被广泛报导。

ORR的材料应该包括有利于氧的活性位点，具有足够的可用于分裂O＝O键的活性位点。具有良好材料结构的ORR材料，应具有有利于O₂扩散与传质和能作为稳定的活性位点的特点，这样可使ORR材料具有长期的耐久性。另外，非金属的杂原子和单一的过渡金属的碳材料显示出良好的ORR催化活性，这归因于碳和杂原子的引入引起的电子自旋密度和电负性的差异以及电荷极化导致氧吸附性能增加并随后改善O＝O双键断裂情况。

单原子催化大多为含有过渡金属和氮掺杂碳基的前驱体高温保护气下热解而来，后期形成稳定的金属氮碳(M-N-C)原子界面，很难通过后期非金属修饰的方法引入新的非金属杂原子，因此，应考虑在前驱体的合成或者前驱体高温热解的阶段，引入除氮元素以外新的非金属杂原子。

发明内容

本发明的目的是在针对单原子ORR催化剂合成技术存在的不足，提供了一种聚吡咯凝胶负载铜磷原子复合材料的制备方法及应用。该方法在合成吡咯凝胶时加入了氯化铜作为引发剂，使吡咯单体络合，又加入植酸作为磷源，引入P非金属杂原子，热解制成Cu-N/P-C结构，双杂原子磷和氮原子可以使得氧吸附性能增加，氧还原的电位有所提高。本发明是一种新型的具有优良氧还原性能的复合电催化材料，通过引入新的杂原子使其拥有更佳的电催化性能。

本发明提供如下具体技术方案：

一种聚吡咯凝胶负载铜磷原子复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)、将二水合氯化铜加入到第一混合溶剂中，超声分散处理30～60min，得到第一溶液；另外将吡咯单体加入同第二混合溶剂中，在2℃下保存30min，再加入植酸，得到第二溶液；

其中，每2ml的第一混合溶剂中加入0.5114g～1.7048g二水合氯化铜；

每2ml的第二混合溶剂中加0.4ml～0.8ml的吡咯单体、植酸0.4ml～0.8ml；