[发明专利]一种三维有序多孔氧还原催化剂及其制备方法、应用

说明书

本发明提供一种三维有序多孔氧还原催化剂及其制备方法、应用，所述制备方法包括以下步骤：1)将表面吸附有前驱体溶液的模板于含催化剂的反应介质中反应，得到负载有Fe掺杂ZIF‑8的模板；前驱体溶液中含有Znsupgt;2+/supgt;、Fesupgt;3+/supgt;、含氮有机配体和溶剂；2)将负载有Fe掺杂ZIF‑8的模板预碳化处理，并去除模板；3)碳化处理；4)酸处理、水蒸气活化后，得到三维有序多孔氧还原催化剂。本发明制得的催化剂具有三维有序大孔、介孔、微孔的分级多孔结构，具有较高的金属掺杂含量，较大的催化剂的活性位点密度，具有高效传质作用，可应用于质子交换膜燃料电池、阴离子交换膜燃料电池或金属‑空气电池的阴极催化剂，并表现出良好的活性和耐久性。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种三维有序多孔氧还原催化剂及其制备方法、应用。

背景技术

燃料电池可通过电催化反应将化学能直接转化为电能，不受“卡诺循环”的限制，具有能量转化效率高、清洁无污染等优点，被视为最有前景的发电技术之一。电催化剂是燃料电池的核心部件，目前仍需依赖铂等贵金属催化剂。由于阴极氧还原反应(OxygenReduction Reaction,ORR)的动力学非常迟缓，燃料电池中大部分铂催化剂应用于阴极。由于铂的价格昂贵，储量稀少，且易被毒化，严重制约了燃料电池的大规模应用，因此发展储量丰富、高效、廉价的非贵金属氧还原催化剂具有重要意义。

长久以来，过渡金属和氮共掺杂的碳基催化剂(M-N-C，M＝Fe、Co、Mn)被认为是最有希望替代铂的非贵金属氧还原催化剂，但其仍存在活性中心密度低、活性位点利用率低、耐久性差等问题。近年来，金属有机框架因其具有丰富的微孔结构、高比表面积、高含氮量等特点，成为最常用的M-N-C催化剂前驱体之一。

在实际应用中，由于M-N-C阴极的催化层较厚，且催化剂内部的活性位点难以充分利用，因此加强催化剂颗粒间隙(外扩散)和催化剂内部(内扩散)的传质扩散对提高M-N-C催化剂在燃料电池中的性能非常重要。此外，M-N-C催化剂中大量存在的微孔易被水淹，阻碍氧气传输，加速活性衰减。另一方面，目前M-N-C催化剂的主要制备方法为惰性气体保护下的高温热处理，催化剂中含大量非活性的无定形碳，降低了催化活性。常用的氨气刻蚀活化法成本高、尾气污染大，不适合催化剂的宏量制备。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三维有序多孔氧还原催化剂及其制备方法、应用，用于解决现有技术中过渡金属和氮共掺杂的碳基催化剂活性中心密度低、活性位点利用率低，寿命不足，采用氨气刻蚀活化成本高、尾气污染大，不适合催化剂的宏量制备的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过包括以下技术方案获得的。

本发明提供一种三维有序多孔氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将表面吸附有前驱体溶液的模板于含催化剂的反应介质中进行反应，所述模板为三维有序纳米微球，得到负载有Fe掺杂ZIF-8的模板；所述前驱体溶液中含有Zn²⁺、Fe³⁺、含氮有机配体和溶剂；

2)将负载有Fe掺杂ZIF-8的模板进行预碳化处理，并去除模板，得到三维有序多孔的Fe掺杂ZIF-8；

3)将所述三维有序多孔的Fe掺杂ZIF-8进行碳化处理，得到碳化样品；

4)将所述碳化样品进行酸处理、水蒸气活化后，得到所述三维有序多孔氧还原催化剂。