一种金属有机碳复合催化剂及其合成方法技术

本发明专利技术提出一种金属有机碳复合催化剂及其合成方法，该催化剂包括金属和不同掺杂态

【技术实现步骤摘要】
一种金属有机碳复合催化剂及其合成方法


[0001]本专利技术涉及电催化剂制备
，具体地说是一种金属有机碳复合催化剂及其制备方法
。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种将存储在燃料中的化学能直接转化为电能的能量转换装置
。
燃料电池发电过程不经过热机过程，不受卡诺循环限制，其中的大部分燃料的化学能可直接转换为电能，能量转化效率可达到
40
～
60
％
。
同时，燃料电池反应产物为水等无害物质，几乎不产生二氧化硫
、
氮氧化物和悬浮物等污染物，也不放出温室气体二氧化碳，符合当今社会低碳减排环保理念，有助于实现我国碳达峰碳中和目标
。
此外，燃料电池还具有辅助设备少，无噪音，操作方便可靠
、
灵活性大等优点，使其被公认为当今社会首选的清洁
、
高效能量转换技术，近年来受到全球多国政府和研究机构的高度重视
。
[0003]目前作为燃料电池关键材料之一，电催化剂的材料
、
制备成本
、
电催化反应活性和电池稳定性是燃料电池技术实现商业化的最大挑战
。
目前应用最为广泛的
Pt
基催化剂，因其有限的资源
、
昂贵的价格以及复杂苛刻的制备工艺导致燃料电池的价格居高不下，成为限制燃料电池商业化的瓶颈
。
近年来，非贵金属催化剂一度成为本领域研究开发的热点，非贵金属氧还原阴极催化剂主要包括过渡金属簇化合物
、
过渡金属大环化合物
、
过渡金属氧化物
、
过渡金属碳氮化合物以及碳基复合材料等
。
非贵金属催化剂较好的催化剂活性和低廉的价格使其有希望成为
Pt
基催化剂的理想替代品
。
然而由于非贵金属材料在燃料电池工作的高电位条件下，极易发生副反应导致催化剂的失活，长期运行稳定性方面距离实际应用还存在很大差距
。
因此，为实现燃料电池的商品化应用，迫切需要开发一种高活性
、
高稳定性
、
价格低廉的非贵金属燃料电池阴极催化剂
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种金属有机碳复合催化剂；金属有机碳凝胶材料具有较大的比表面积
、
适宜物质传输的中孔结构和良好的导电导热性能，作为燃料电池阴极催化剂，表现出良好的抗腐蚀性
、
稳定性和氧还原
、
氧析出反应活性
。
[0005]本专利技术的另外一个目的在于提供一种金属有机碳复合催化剂
Y
‑
NC@NCX(Y
＝
Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、W、Ir、V、Cr、Mn
等
)
的制备方法
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种金属有机碳复合催化剂包括金属和不同掺杂态
N
构成具有催化活性位点的
M
‑
N
‑
C
原子簇和起固定支撑作用的多孔有机碳网络；所述的原子簇中含有金属原子
、
氮原子和碳原子，其中碳原子的含量最高
。
所述的催化剂为介孔三位网络结构；所述催化剂粒径为
10
‑
30nm
，比表面积为
80
‑
300m2g
‑
l
，孔体积为
0.2
‑
0.78cm3g
‑1，孔径分布为2‑
25nm。
[0008]一种金属有机碳复合催化剂的制备方法，主要包含金属有机骨架的制备，三维有机骨架凝胶的制备，高温碳化氮掺杂，研磨清洗干燥步骤
。
[0009]制备一种金属有机碳复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)
将过渡金属盐和对苯二甲酸溶解于
N
，
N
二甲基甲酰胺中，溶剂热法反应制得金属有机骨架；
[0011](2)
将间苯二酚
、
富氮有机物和所述金属有机骨架混合溶于去离子水中，滴加甲醛制得混合溶液；将所述混合液进行碱催化，加热搅拌制得三维有机骨架凝胶；
[0012](3)
将所述三维有机骨架凝胶密封静置干燥陈化
、
粉碎后经高温碳化氮化处理后再经酸洗干燥得到金属有机碳复合催化剂
。
[0013]作为优选的，所述步骤
(1)
中所述过渡金属盐中的金属元素为
IVB、VB、VIB、VIIB、VIII、IB
和
IIB
族中的一种或多种
。
[0014]作为优选的，所述金属元素为
Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ir、V、Cr、Mn、Zr、W。
[0015]作为优选的，所述步骤
(1)
中所述过渡金属盐和对苯二甲酸摩尔比1：
10
‑2：
1。
[0016]作为优选的，所述富氮有机物为蛋白胨
、
三聚氰胺
、
二甲基咪唑
、
邻苯二胺
、
二甲胺
、
三甲胺
、
三乙醇胺
、
二乙醇胺
、
偶氮
、
咪唑
、
咔唑
。
[0017]作为优选的，所述步骤
(2)
中所述间苯二酚，甲醛的摩尔比为1：2，间苯二酚与富氮有机物摩尔比为
20
：1，间苯二酚与金属有机骨架质量比为3：1‑
10
：1；所述加热温度为
20
‑
80℃
，搅拌时间为1‑
24h。
[0018]作为优选的，所述步骤
(3)
中密封静置干燥陈化时间为1‑
7d
，干燥陈化温度为
50
‑
90℃
；所述高温碳化氮化的条件为：温度为
700
～
1100℃
，处理时间为2‑
10h
，采用惰性气体吹扫至室温；所述酸洗采用
0.5
～
5M
酸溶液
。
[0019]作为优选的，高温碳化氮化的氮化气氛为
NH3/N2、NH3、CH3CN
或
HCN
气氛，惰性气体为氮气或
Ar
气
。
[0020]作为优选的，所述酸溶液为硝酸
、
盐酸
、
磷酸或硫酸
。
[0021]一种金属有机碳复合催化剂可用作燃料电池本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种金属有机碳复合催化剂，其特征在于，该催化剂包括金属和不同掺杂态
N
构成具有催化活性位点的
M
‑
N
‑
C
原子簇和起固定支撑作用的多孔有机碳网络；所述催化剂粒径为
10
‑
30nm
，比表面积为
80
‑
300m2g
‑
l
，孔体积为
0.2
‑
0.78cm3g
‑1，孔径分布为2‑
25nm。2.
制备权利要求1的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)
将过渡金属盐和对苯二甲酸溶解于
N
，
N
二甲基甲酰胺中，溶剂热法反应制得金属有机骨架；
(2)
将间苯二酚
、
富氮有机物和所述金属有机骨架混合溶于去离子水中，滴加甲醛制得混合溶液；将所述混合液进行碱催化，加热搅拌制得三维有机骨架凝胶；
(3)
将所述三维有机骨架凝胶密封静置干燥陈化
、
粉碎后经高温碳化氮化处理后再经酸洗干燥得到金属有机碳复合催化剂
。3.
根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤
(1)
中所述过渡金属盐中的金属元素为
IVB、VB、VIB、VIIB、VIII、IB
和
IIB
族中的一种或多种
。4.
根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述金属元素为
Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ir、V、Cr、Mn、Zr、W。5.
根据权利要求2所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：金虹，周来宏，林德坚，查国君，黄平，王发辉，刘琛，
申请(专利权)人：新余学院，
类型：发明
国别省市：