[发明专利]一种催化剂前驱体、金属碳基催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种催化剂前驱体、金属碳基催化剂及其制备方法和应用。该催化剂前驱体为包括金属掺杂的沸石咪唑酯骨架材料和无机盐的混合物、或者为包括金属掺杂的沸石咪唑酯骨架材料和表面活性剂的混合物。该金属碳基催化剂通过将催化剂前驱体进行研磨，研磨产物置于惰性气氛中进行热解，然后将热解产物进行降温，降温过程中进行氨气处理制得。本发明还提供了催化剂前驱体、金属碳基催化剂的制备方法和应用。本发明制得的金属碳基催化剂具有片状结构、较高的比表面积、产生了丰富的纳米孔和缺陷活性中心，而且暴露出更多的活性位点，改善了金属碳基催化剂的质量扩散性质，令其具有优异的催化活性和稳定性。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域。更具体地，涉及一种催化剂前驱体、金属碳基催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

能源危机和环境污染制约着全球的经济发展，然而，化石能源的广泛应用不但加剧了能源危机，而且还导致了世界范围内的环境污染和全球性气候变暖。在众多的可再生能源中，燃烧热值高、清洁无污染、来源广泛和适用范围较广的氢能源受到了各国的瞩目，对于全世界而言，开发氢能源将重新建立起一套高效能源体系，并且有效缓解世界共同面临的能源危机和气候问题。

用于氢能转换成电能的燃料电池是一类将化学能直接转换成电能的装置，可供其使用的“燃料”多样，不排放污染性气体，运行中噪声小，而且反应后只生成水，几乎不产生污染环境的含氮和硫氧化物。化学能转换成电能的反应步骤中不涉及燃烧过程，所以能量转换效率(高达60％～80％)不受卡诺循环的限制。目前人们将燃料电池投入到实际使用中，发现其可获得的能源效率是普通内燃机的2～3倍。

作为能源转换器件的质子交换膜燃料电池是目前发展最为成熟的燃料电池，其所具备的优势使之正在成为理想的可再生能源利用方式。质子交换膜燃料电池中起关键作用的氧还原反应受制于缓慢的动力学，因此需要高性能的催化剂降低其反应能垒。因此，迫切需要一种高效理想的氧还原催化剂，并应用于燃料电池使之表现出优异的性能。

目前，贵金属催化剂仍是再生能源技术和其他重要工业过程中应用最为广泛使用的催化剂。然而，贵金属催化剂具有多种缺点，例如资源匮乏、成本昂贵、稳定性较差、杂质中毒和燃料交叉效应、以及对环境具有不利影响。

过渡金属掺杂的碳基电催化剂因其具有更好的稳定性和抗甲醇中毒效应，被认为是最有希望取代贵金属催化剂的材料。其中单原子催化剂由于具有较高的本征活性和最大的原子利用效率，受到了最为广泛的关注。单原子催化剂的制备成本受到昂贵的实验设备要求和低生产效率的限制。因此，开发一种高效、可靠、环保、低成本的宏量制备非贵金属单原子或双原子催化剂的方法将在进一步的工业应用中具有重要意义。

因此，本发明提供了一种催化剂前驱体、金属碳基催化剂及其制备方法和应用。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种催化剂前驱体。

本发明的第二个目的在于提供一种催化剂前驱体的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种催化剂前驱体的应用。

本发明的第四个目的在于提供一种金属碳基催化剂。

本发明的第五个目的在于提供一种金属碳基催化剂的制备方法。

本发明的第六个目的在于提供一种金属碳基催化剂的应用。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明提供一种催化剂前驱体，所述催化剂前驱体为包括金属掺杂的沸石咪唑酯骨架材料和无机盐的混合物、或者为包括金属掺杂的沸石咪唑酯骨架材料和表面活性剂的混合物；其中，所述无机盐和金属掺杂的沸石咪唑酯骨架材料的质量比为2.70：0.67～5.40。