一种碳基氧还原催化剂的制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及电催化材料技术领域，具体涉及一种碳基氧还原催化剂的制备方法及其应用，本发明专利技术所提供的一种碳基氧还原催化剂的制备方法主要包括步骤：S1：将乙酰丙酮金属通过气相浸渍法附着在碳基载体表面，得到附着有乙酰丙酮金属的碳基材料；S2：使用氨水通过液相置换法对附着有乙酰丙酮金属的碳基材料置换配体，然后干燥，以得到附着有氨基金属配位化合物的碳基材料；S3：通过对附着有氨基配位化合物的碳基材料进行高温煅烧以得到碳基氧还原催化剂。上述制备方法工艺简单、制备成本更低、且催化活性更好。化活性更好。化活性更好。

【技术实现步骤摘要】
一种碳基氧还原催化剂的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及电催化材料
，尤其涉及一种碳基氧还原催化剂的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]为了缓解人们对传统能源需求的压力，发展可再生以及可持续的能源来取代传统能源已经是迫在眉睫。众多技术中，燃料电池技术具有极高可靠性以及可以高效的通过电化学方式将化学能转化为电能，从而提供清洁、无污染和可持续的能源。根据电解质的差异，可将燃料电池分为以下几类：质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池、甲醇燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池。
[0003]作为燃料电池的代表，质子交换膜燃料电池和其他电池相比，因其工作温度低，能量密度高，低质量和体积小等优点一直是人们研究的热点。但因其阴极动力学非常缓慢，具有较高的电势，所以需要借助催化剂来协助反应。常用的催化剂主要分为两类，包括贵金属催化剂和非贵金属催化剂，其中商业Pt/C属于贵金属催化剂，也是目前公认催化性能最好的催化剂之一，但因Pt储存量少，价格昂贵，阻碍了燃料电池商业化。
[0004]为了攻克催化剂在价格上的缺陷，人们积极开发非贵金属催化剂，近年来，人们对过渡金属负载在碳材料的研究和开发，使之成为最具潜力代替贵金属催化剂的材料之一，但现有技术中的过渡金属
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碳材料对氧还原反应的催化活性较低，无法达到贵金属催化剂水平，而且制备工艺复杂，无法形成规模化效应。如文献号为CN113013428A的中国专利技术专利所公开的一种Fe,Co双金属掺杂介孔碳氧还原催化剂的制备方法及应用，但该专利采用的制备方法所制备得到的Fe,Co双金属掺杂介孔碳氧还原催化剂的制备工艺复杂，且催化性能仍然不及现有的商业Pt/C，还需进一步改进。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种碳基氧还原催化剂的制备方法及其应用，所述氧还原催化剂的制备方法制备工艺简单、制备成本更低、且催化活性更好。
[0006]为达到上述技术效果，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种碳基氧还原催化剂，该碳基氧还原催化剂以碳基载体作为碳前驱体、乙酰丙酮金属作为非贵金属前驱体、以氨水作为配体置换剂，以制备得到碳基氧还原催化剂。
[0008]优选地，所述乙酰丙酮铁以及乙酰丙酮钴通过气相浸渍法附着在碳基载体表面，以得到附着有乙酰丙酮钴和乙酰丙酮铁的碳基材料，而所述氨水则通过液相置换法进一步对附着有乙酰丙酮钴和乙酰丙酮铁的碳基材料进行配体置换，以得到附着有氨基钴/铁配位化合物的碳基材料，最后通过对上述附着有氨基钴/铁配位化合物的碳基材料进行高温煅烧，从而获得上述Fe
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Co
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N共掺杂的碳基氧还原催化剂。
[0009]第二方面，本专利技术提供一种碳基氧还原催化剂的制备方法，包括步骤：
[0010]S1：将乙酰丙酮金属通过气相浸渍法附着在碳基载体表面，得到附着有乙酰丙酮金属的碳基材料；
[0011]S2：使用氨水通过液相置换法对附着有乙酰丙酮金属的碳基材料置换配体，然后干燥，以得到附着有氨基金属配位化合物的碳基材料；
[0012]S3：通过对附着有氨基配位化合物的碳基材料进行高温煅烧以得到碳基氧还原催化剂。
[0013]进一步地，所述气相浸渍法的条件为高温高压。
[0014]更进一步地，所述高温高压的条件具体为温度为150～250℃、压力为0～3MPa，处理时间为1～12h。
[0015]优选地，所述高温高压的条件具体为温度为180～240℃、压力为1～3MPa，处理时间为1.5～6h。
[0016]进一步地，所述S1中的乙酰丙酮金属为乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴、乙酰丙酮镍中的任意一种或多种的组合，且优选为乙酰丙酮铁和乙酰丙酮钴的混合物。
[0017]进一步地，所述S1中的碳基载体为所述碳基载体为有机碳或无机碳中的任意一种。
[0018]更进一步地，所述碳基载体可选为炭黑、碳纳米管、石墨烯、二维碳片和氧化石墨烯中的至少一种，或是，含氮聚合物修饰的炭黑、碳纳米管、石墨烯、二维碳片和氧化石墨烯中的至少一种。
[0019]进一步地，所述S2中的氨水浓度为25％～28％，置换时间为0.5～10h，干燥温度为60～100℃，干燥时间为1～24h。
[0020]进一步地，所述S3中的高温煅烧温度为300～1100℃，高温煅烧时间为0.2～3h。
[0021]进一步地，所述S3还包括：在高温煅烧后，通过酸液洗涤去除炭化产物中较大的金属颗粒，再用超纯水洗涤数次后干燥，即获得所述碳基氧还原催化剂。
[0022]进一步地，所述酸液为硫酸溶液或盐酸溶液中的任意一种。
[0023]进一步地，所述高温煅烧环境为惰性气体环境，且所述惰性气体环境优选为氮气或氩气中的任意一种。
[0024]第三方面，本专利技术还提供一种第一方面所述的碳基氧还原催化剂、或是采用上述第二方面的制备方法制备得到的碳基氧还原催化剂的应用，具体包括在质子交换膜燃料电池中的应用，或是，在用作燃料电池或金属
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空气电池的氧还原催化剂材料方面的应用。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0026]第一方面，本专利技术提供了碳基氧还原催化剂，该碳基氧还原催化剂以碳基载体作为碳前驱体、乙酰丙酮铁作为铁前驱体、以乙酰丙酮钴作为钴前驱体、以氨水作为氮前驱体，在制备上述碳基氧还原催化剂时，首先将乙酰丙酮铁以及乙酰丙酮钴通过气相浸渍法附着在碳基载体表面，以得到附着有乙酰丙酮钴和乙酰丙酮铁的碳基材料，而所述氨水则通过液相置换法进一步对附着有乙酰丙酮钴和乙酰丙酮铁的碳基材料进行配体置换，以得到附着有氨基钴/铁配位化合物的碳基材料，最后通过对上述附着有氨基钴/铁配位化合物的碳基材料进行高温煅烧，从而获得上述碳基氧还原催化剂，该种碳基氧还原催化剂制备方法简单，且活性金属均匀地附着在载体表面，制备得到的碳基氧还原催化剂性能与商业Pt/C相当。
[0027]第二方面，本专利技术还提供了一种碳基氧还原催化剂的制备方法，该制备方法摒弃了传统的水热法制备，而采用气相浸渍法，从而可将具有催化活性金属快速、便捷地负载到碳基载体表面，用最小的用量使其均匀布满载体表面，可有效地提高原料的利用率，在气相浸渍法后再通过液相置换法获得稳定性更高的金属配合物，利用煅烧工序形成催化活性位点，也提高了催化剂的稳定性。
附图说明
[0028]图1为本专利技术的第一实施例提供的碳纳米管的SEM图；
[0029]图2为本专利技术的第二实施例提供的N元素的X射线光电子能谱图；
[0030]图3为本专利技术的第三实施例试验例提供的实施例1～实施例3制备得到的碳基氧还原催化剂在0.1mol/LKOH溶液中测试的氧还原性能对比结果。
具体实施方式
[0031]下面将结合附图对本专利技术技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，因此只作为示例，而不能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳基氧还原催化剂，其特征在于：以碳基载体作为碳前驱体、乙酰丙酮金属作为非贵金属前驱体、以氨水作为配体置换剂，以制备得到碳基氧还原催化剂。2.一种碳基氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，包括步骤：S1：将乙酰丙酮金属通过气相浸渍法附着在碳基载体表面，得到附着有乙酰丙酮金属的碳基材料；S2：使用氨水通过液相置换法对附着有乙酰丙酮金属的碳基材料置换配体，然后干燥，以得到附着有氨基金属配位化合物的碳基材料；S3：通过对附着有氨基配位化合物的碳基材料进行高温煅烧以得到碳基氧还原催化剂。3.如权利要求2所述的一种碳基氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：所述气相浸渍法的条件为高温高压。4.如权利要求3所述的一种碳基氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：所述高温高压的条件具体为温度为150～250℃、压力为0～3MPa，处理时间为1～12h。5.如权利要求2所述的一种碳基氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：所述S1中的乙酰丙酮金属为乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴、乙酰丙酮镍中的任意一种或多种的组合，所述S1中的碳基载体为所述碳基载体...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚丽，赵勇，刘兴兴，王联，王萌，苏岳锋，
申请(专利权)人：北京理工大学重庆创新中心，
类型：发明
国别省市：