【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于氧还原反应的电催化剂、其制造方法及其用途
本公开的专利技术一般地属于电催化领域，更具体地属于氮掺杂碳基催化剂片、用于生产这种氮掺杂碳基催化剂片的方法及其催化用途领域。
技术介绍
氧还原反应(ORR)也是在生命过程如生物呼吸和能量转化系统如燃料电池中最重要的反应。水溶液中的ORR主要通过两种途径发生：从O2至H2O的直接4电子还原途径，和从O2至过氧化氢(H2O2)的2电子还原途径。在非水非质子溶剂和/或碱性溶液中，也可发生从O2至超氧化物(O2-)的1-电子还原途径。在质子交换膜(PEM)燃料电池中，包括直接甲醇燃料电池(DMFC)，ORR是在阴极发生的反应。通常，ORR动力学非常慢。为了加速ORR动力学以达到燃料电池中实际可用的水平，需要阴极ORR催化剂。在目前的技术阶段，基于铂(Pt)的材料是最实用的催化剂。因为这些Pt基催化剂对于制造商业上可行的燃料电池来说太昂贵，所以过去几十年来的广泛研究集中于开发替代催化剂，包括非贵金属催化剂。这些电催化剂包括贵金属和合金、碳材料、醌和衍生物、过渡金属大环化合物、过渡金属硫属化...
【技术保护点】
1.碳基催化剂，其包含：/n碳基片，其中所述碳基片包含氮和过渡金属，并且其中所述碳基片还包含多个微孔、中孔、大孔或其组合。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.碳基催化剂，其包含：
碳基片，其中所述碳基片包含氮和过渡金属，并且其中所述碳基片还包含多个微孔、中孔、大孔或其组合。
2.权利要求1所述的碳基催化剂，其中所述片是碳基纳米片。
3.权利要求2所述的碳基催化剂，其中所述碳基纳米片具有在约1nm-30nm、约1nm-25nm、约1nm-20nm、约1nm-15nm、约1nm-10nm或约1nm-5nm之间的范围的厚度。
4.权利要求2或3所述的碳基催化剂，其中将两个或更多个所述碳基纳米片组装以形成板结构，例如板微结构。
5.权利要求4所述的碳基催化剂，其中所述板结构的厚度在约50nm-150nm、约50nm-125nm、约50nm-100nm或约50nm-75nm之间的范围。
6.权利要求1-5中任一项所述的碳基催化剂，其中所述微孔具有小于约2nm或约1nm范围的平均尺寸。
7.权利要求1-6中任一项所述的碳基催化剂，其中所述中孔具有在约2nm-50nm、约2nm-10nm、约2nm-20nm、约2nm-30nm或约2nm-40nm范围的平均尺寸。
8.权利要求1至7中任一项所述的碳基催化剂，其中所述大孔具有在约50nm-55nm、约50nm-60nm、约50nm-65nm、约50nm-70nm、约50nm-75nm、约50nm-80nm、约50nm-85nm、约50nm-90nm、约50nm-95nm或约50nm-100nm范围的平均尺寸。
9.权利要求1-8中任一项所述的碳基催化剂，其中所述碳基片仅包含多个微孔。
10.权利要求1-8中任一项所述的碳基催化剂，其中所述碳基片仅包含多个中孔和大孔。
11.权利要求1-8中任一项所述的碳基催化剂，其中所述碳基片包含多个微孔、中孔和大孔。
12.权利要求1-11中任一项所述的碳基催化剂，其中所述过渡金属选自铬、锰、钴、镍、铜、铈和锌，优选与铁组合。
13.权利要求12所述的碳基催化剂，其中所述过渡金属是离子并且具有+2电荷、+3电荷、+4电荷、+6电荷、+7电荷或其组合。
14.权利要求12所述的碳基催化剂，其中所述过渡金属是具有+3电荷的离子铁。
15.权利要求1-14中任一项所述的碳基催化剂，其中所述碳基片包含聚(间苯二胺)、聚(邻苯二胺)或其组合。
16.权利要求1-15中任一项所述的碳基催化剂，其中所述碳基催化剂是电催化剂。
17.权利要求1-16中任一项所述的碳基催化剂，其中所述电催化剂是氧还原反应电催化剂。
18.还原氧的方法，所述方法包括：使氧与权利要求1-17中任一项所述的碳基催化剂接触。
19.系统，其包含权利要求1到17中任一项所述的碳基催化剂。
20.权利要求19所述的系统，其中所述系统是燃料电池。
21.权利要求19所述的系统，其中所述系统是电池。
22.权利要求21所述的系统，其中所述电池是锌/空气电池。
23.制造包含碳基片的碳基催化剂的方法，其中所述碳基片包含氮和过渡金属，其中所述方法包括以下步骤：
(a)将基于过渡金属的氧化剂溶液加入到单体的溶液中，由此通过氧化形成含氮聚合物，其中所述单体选自间苯二胺、邻苯二胺、对苯二胺、以及其组合；
(b)任选地将水、基于金属的盐溶液或两者加入到步骤(a)中形成的含氮聚合物中；
(c)分离在步骤(a)或步骤(b)中形成的固体；以及
(d)在足以使分离的固体碳化的温度下处理步骤(c)的分离的固体。
24.权利要求23所述的方法，其中所述基于过渡金属的氧化剂选自FeCl3和FeBr3，并且其中所述基于过渡金属的氧化剂任选地是无水的。
25.权利要求24所述的方法，其中所述基于过渡金属的氧化剂是FeCl3，并且其中所述基于过渡金属的氧化剂任选地是无水的。
26.权利要求23-25中任一项所述的方法，其中所述间苯二胺具有如下结构：
式1
其中R1和R2独立选自氢、C1-C3烷基、C2-C3烯基、C2-C3炔基、卤素、C1-C3烷氧基和羟基。
27.权利要求23-25中任一项所述的方法，其中所述邻苯二胺具有如下结构：
;
式2
其中R3和R4独立选自氢、C1-C3烷基、C2-C3烯基、C2-C3炔基、卤素、C1-C3烷氧基和羟基。
28.权利要求23-25中任一项所述的方法，其中所述对苯二胺具有如下结构：
;
式3
其中R5和R6独立选自氢、C1-C3烷基、C2-C3烯基、C2-C3炔基、卤素、C1-C3烷氧基和羟基。
29.权利要求23-28中任一项所述的方法，其中所述含氮聚合物包含一种或多种根据以下化学结构的聚合物：
式4a
其中每个n独立地为10-100的整数值，并且其中每个R7、R8、R9和R10独立地选自氢、C1-C3烷基、C2-C3烯基、C2-C3炔基、卤素、C1-C3烷氧基和羟基。
30.权利要求23-29中任一项所述的方法，其中所述基于金属的盐选自ZnCl2、ZnBr2、ZnF2、ZnI2、MnCl2、MnBr2、MnI2、CoCl2、CoBr2、CoI2、CuBr2、CuCl2、NiCl2、CrCl2、CaCl2和CaBr2，优选与FeCl3组合。
31.权利要求23-30中任一项所述的方法，其中步骤(a)、步骤(b)或两者还包括声处理，例如超声处理。
32.权利要求23-31中任一项所述的方法，其中步骤(C)的分离包括在至少50℃、60℃、70℃、80℃、90℃或100℃的温度下干燥固体，并在步骤(d)的处理之前收集固体。
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