一种掺杂氮化碳材料的非贵金属催化剂及其制备方法与应用技术

本申请涉及一种掺杂氮化碳材料的非贵金属催化剂及其制备方法与应用，所述制备方法包括：得到中孔二氧化硅；通过所述中孔二氧化硅材料制备介孔氮化碳；将所述介孔氮化碳

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂氮化碳材料的非贵金属催化剂及其制备方法与应用


[0001]本申请涉及燃料电池
，尤其涉及一种掺杂氮化碳材料的非贵金属催化剂及其制备方法与应用
。

技术介绍

[0002]氢能作为一种绿色
、
高效的二次能源，具有来源广泛
、
利用形式多
、
方便储存
、
安全性较好等优点，有助于国家摆脱对日益紧张的化石能源的依赖，早日实现碳中和，对未来的社会发展有着深远的意义
。
世界各国纷纷对燃料电池这一高效利用氢能的技术，提供了丰厚的资金支持，以促进质子交换膜燃料电池
(PEMFC)
的迅速发展
。
氧还原反应
(ORR)
是燃料电池能量转换的关键步骤
。
[0003]目前，氧还原反应
(ORR)
由于动力学缓慢，在低过电位下有效且经济地还原氧气仍是一个挑战
。
根据活性位点的性质，最常用的在是氧分子吸附
、
形成稳定的羟基，然后产物从表面解吸
。
通过掺杂杂原子
(
价电子数不是四个
)
来去除碳基质的电中性，它对
ORR
的活性就会更强
。
因此，氮掺杂的碳和氮化碳材料表现出高导电性，并且被发现在燃料电池的腐蚀性环境中相对稳定
。
然而，这些材料的低表面积使得它们对于所需的电催化
ORR
的效率较低
>。

技术实现思路

[0004]本申请提供了一种掺杂氮化碳材料的非贵金属催化剂及其制备方法与应用，以解决现有掺杂氮化碳材料的催化剂应用于燃料电池氧还原反应的效率较低的技术问题
。
[0005]第一方面，本申请提供了一种掺杂氮化碳材料的非贵金属催化剂的制备方法，所述方法包括：
[0006]得到中孔二氧化硅；
[0007]通过所述中孔二氧化硅材料制备介孔氮化碳；
[0008]将所述介孔氮化碳
、
溶剂以及金属酞菁进行固定反应，得到掺杂氮化碳材料的非贵金属催化剂
。
[0009]可选的，所述金属酞菁中的金属元素包括如下一种：
Mn、Fe、Co、Ni、Cu
以及
Zn。
[0010]可选的，所述金属酞菁中的金属元素为
Fe。
[0011]可选的，所述溶剂为
N
，
N
‑
二甲基甲酰胺
。
[0012]可选的，所述固定反应的时间为
12h
～
48h。
[0013]可选的，所述金属酞菁在所述溶剂中的摩尔浓度为
4.0mM
～
6.0mM。
[0014]可选的，所述通过所述中孔二氧化硅材料制备介孔氮化碳，包括：
[0015]将中孔二氧化硅
、
乙二胺以及四氯化碳进行合成反应，得到介孔氮化碳；其中，
[0016]所述乙二胺与所述四氯化碳的重量比为
0.4
～
0.6。
[0017]可选的，所述得到中孔二氧化硅，包括：
[0018]将十六烷基三甲基溴化铵
、
四乙氧基硅烷
、
氨水以及溶剂进行合成反应，得到中孔
二氧化硅
。
[0019]第二方面，本申请提供了一种掺杂氮化碳材料的非贵金属催化剂，所述非贵金属催化剂由第一方面任意一项实施例所述的方法制备得到
。
[0020]第三方面，本申请提供了第二方面任意一项实施例所述的非贵金属催化剂在燃料电池中的应用
。
[0021]本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
[0022]本申请实施例提供的该掺杂氮化碳材料的非贵金属催化剂的制备方法，使用介孔二氧化硅作为硬模板，将孔隙率引入到氮化碳材料中，并合成了介孔氮化碳
。
金属酞菁
(MPcs)
含有金属
‑
N4
活性位点，
MPcs
是大金属大环，通常具有芳香性质
、
高热稳定性和合适的电子供体
/
受体性质
。
这些特性使它们成为光伏和催化应用领域的可靠材料，通过固定金属酞菁来改性介孔氮化碳
。
由此得到的金属酞菁
@
介孔氮化碳非贵金属催化剂在酸性和碱性介质中电池氧还原反应
(ORR)
中，表现出优异的电化学性能和稳定性
。
此外，该非贵金属催化剂在
ORR
和相关应用中可用作替代
Pt
和其他昂贵材料的合适替代品，节约了成本
。
附图说明
[0023]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理
。
[0024]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图
。
[0025]图1为本申请实施例提供的一种掺杂氮化碳材料的非贵金属催化剂的制备方法的流程示意图；
[0026]图2为本申请实施例提供的一种介孔氮化碳的扫描电镜图；
[0027]图3为本申请实施例1～2制备的燃料电池用氧还原非贵金属非贵金属催化剂和对比例1商业
XC
‑
72
碳粉作为阴极贵金属催化剂在氢气
/
氧气条件下的膜电极极化测试对比图
。
具体实施方式
[0028]为使本申请实施例的目的
、
技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚
、
完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例
。
基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围
。
[0029]本申请的各种实施例可以以一个范围的形式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本申请范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值
。
例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所述范围内的单一数字，例如
1、2、3、4、5
及6，此不管范围为何皆适用
。
另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种掺杂氮化碳材料的非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括：得到中孔二氧化硅；通过所述中孔二氧化硅材料制备介孔氮化碳；将所述介孔氮化碳
、
溶剂以及金属酞菁进行固定反应，得到掺杂氮化碳材料的非贵金属催化剂
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属酞菁中的金属元素包括如下一种：
Mn、Fe、Co、Ni、Cu
以及
Zn。3.
根据权利要求2述的方法，其特征在于，所述金属元素为
Fe。4.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶剂为
N
，
N
‑
二甲基甲酰胺
。5.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固定反应的时间为
12h
～
48h。6.
根据权利要求1～5任意一项所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗昪，黄磊，唐雪君，周江峰，王智捷，
申请(专利权)人：东风汽车集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：