[发明专利]B、N共掺杂的Co基高活性氧还原电催化剂及制备与应用

说明书

本发明涉及一种B、N共掺杂的Co基高活性氧还原电催化剂及其制备与应用，所述制备方法具体包括以下步骤：(1)将1,3,5‑苯三甲酸、双氰胺、硼酸和钴源溶于溶剂中，溶解后使其充分反应生成产物；(2)收集步骤(1)的产物并进行干燥处理；(3)将获得的干燥产物进行退火处理，得到分散有Co纳米颗粒的B、N共掺杂的碳纳米片。将该催化剂用于燃料电池。与现有技术相比，本发明的CoNPs‑BNC具有分级多孔的二维片层结构，显示出优于商业Pt/C的氧还原电催化活性、稳定性及抗甲醇性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种B、N共掺杂的Co基高活性氧还原电催化剂及其制备与应用。

背景技术

经济社会的快速发展加速了全球能源消耗的不断增长。目前为止，全球能源供应的很大一部分(超过80％)仍然来自化石燃料。然而，化石燃料属于储量有限且不可持续的能源类型，而且化石燃料的使用甚至还会严重污染环境。因此电化学能源存储与转换技术，如燃料电池、锌-空电池，以其低或零排放、高效率等优点进入了人们的视野。氧还原反应(ORR)是该先进能源存储与转换技术的关键反应。然而，这个多电子转移过程的动力学缓慢，需要大量的电催化剂来加速。Pt基贵金属催化剂是目前用于该过程且最有效的氧还原电催化剂，但其储量稀缺、价格昂贵、稳定性和抗毒化性能较差，这些不足限制了这类催化剂的实用性。因此，开发出低成本、高活性、高稳定性的非贵金属氧还原电催化剂是当务之需。

专利CN103332687A公开了一种以生物质为碳源制备硼氮共掺杂石墨化纳米碳的方法，本发明涉及本发明涉及硼氮共掺杂石墨化纳米碳的合成方法。本发明要解决现有硼氮共掺杂石墨化纳米碳的制备工艺复杂、反应条件苛刻、硼和氮含量低、产量低、成本高，从而难以实现工业化生产的问题。方法：一、预处理；二、制备前驱体；三、碳化处理；四、酸处理。该专利未指出催化剂的形貌和金属元素的存在状态。本专利中催化剂为分级多孔的片层结构，其中Co以金属单质的形式以颗粒状分散在B、N共掺杂的碳纳米片上。在制备方法上，该专利流程较复杂，并利用了强酸、强碱、强氧化剂等，对环境产生较大危害。

发明内容

本发明的目的就是提供一种B、N共掺杂的Co基高活性氧还原电催化剂及其制备与应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种B、N共掺杂的Co基高活性氧还原电催化剂的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤：

(1)将1,3,5-苯三甲酸、双氰胺、硼酸和钴源溶于溶剂中，溶解后使其充分反应生成产物，此步骤中，钴源中的钴离子掺入碳载体中；

(2)收集步骤(1)的产物并进行干燥处理；

(3)将获得的干燥产物进行退火处理，得到分散有Co纳米颗粒的B、N共掺杂的碳纳米片，记为Co NPs-BNC。

步骤(1)中，所述钴源为CoCl₂·6H₂O。

步骤(1)中，CoCl₂·6H₂O的量为40-60mg。

步骤(1)中，1,3,5-苯三甲酸、双氰胺、CoCl₂·6H₂O和硼酸的质量比为1:10:(0.4～0.6):(0.025～0.075)，优选为1:10:0.5:(0.025～0.075)，进一步优选为1:10:0.5:0.05。

步骤(1)中，所述溶剂为乙醇和水按体积比为1:3.5混合得到。

步骤(1)中，采用超声加速溶解。

步骤(1)中，反应的温度为50～70℃，优选为60℃，反应的时间为10～14h，优选为12h。

步骤(2)中，在真空条件下进行干燥，干燥的温度为50～70℃，优选为60℃，干燥的时间为7～10h。