一种非贵金属氧还原电催化剂及其制备方法和应用.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109950557A(43)申请公布日2019.06.28(21)申请号201711380308.3(22)申请日2017.12.20(71)申请人中国科学院大连化学物理研究所地址116000辽宁省大连市沙河口区中山路457号(72)发明人孙公权许新龙王素力(74)专利代理机构大连东方专利代理有限责任公司21212代理人毛薇李馨(51)Int.Cl.H01M4/90(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图2页(54)发明名称一种非贵金属氧还原电催化剂及其制备方法和应用(57)摘要本发明涉及一种非贵金属氧还原电催化剂的制备方法，所述催化剂是将含铁金属有机骨架与含氮金属有机骨架机械混合，再通过一步热解的方法获得，其在酸性和碱性电解质中具有高电催化氧还原活性。与现有技术相比，本发明具有如下优点：使用铁基金属有机骨架作为铁源，保证最终获得的催化剂中铁以高度分散的单原子形式存在。含氮金属有机骨架热处理后空间结构得以保留，形成高比表面的氮掺杂碳载体，担载了高密度的活性位点。该催化剂的高氧还原性能、良好的稳定性和抗甲醇性能使其在聚合物膜电解质燃料电池和金属空气电池中具有广阔应用前景。CN109950557ACN109950557A权利要求书1/1页1.一种非贵金属氧还原电催化剂，其特征在于：以多孔氮掺杂碳为载体，Fe以单原子形式分散于载体之上，并与载体中的氮配位构成活性位点，所述非贵金属氧还原电催化剂中Fe的质量分数为1-5％。2.如权利要求1所述非贵金属氧还原电催化剂，其特征在于：所述多孔氮掺杂碳载体比表面不小于500cm2g-1；所述多孔碳材料中掺杂有N元素质量分数为2-8％，所述N元素存在的形式为吡啶N、吡咯N、石墨化N、氧化N中的一种或两种以上。3.一种非贵金属氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)含铁金属有机骨架的合成：将Fe金属盐、多羧基有机配体、溶剂1混合，得混合溶液1；所述混合溶液1经水热反应得固液混合物1；分离所述固液混合物1，得固相1为含铁金属有机骨架；(2)含氮金属有机骨架的合成：将Zn金属盐、咪唑基有机配体、溶剂2混合，得混合溶液2，所述混合溶液2经水热反应得固液混合物2；分离所述固液混合物2，得固相2为含氮金属有机骨架；(3)催化剂前驱体的制备：将步骤(1)获得的含铁金属有机骨架与步骤(2)获得的含氮金属有机骨架机械混合均匀，得催化剂前驱体；(4)催化剂的制备：将步骤(3)获得的催化剂前驱体在惰性气氛下进行高温碳化处理，得氧还原电催化剂。4.如权利要求3所述催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述Fe金属盐为硝酸铁、氯化铁中的一种或两种；多羧基有机配体为对苯二甲酸、均苯三甲酸、反式丁烯二酸中的一种或两种以上；溶剂1为DMF、甲醇或水中的一种或两种以上的混合物；混合溶液1中Fe离子与多羧基有机配体的物质的量比例为2:1-1:2；步骤(1)中，所述水热反应温度为60-120℃，时间为8-48h。5.如权利要求3所述催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述Zn金属盐为硝酸锌、乙酸锌、氯化铁中的一种或两种以上；咪唑基有机配体为2-甲基咪唑、苯并咪唑中的一种或两种；溶剂2为DMF、乙醇、甲醇或水中的一种或两种以上的混合物；混合溶液2中Zn离子和咪唑基有配体的物质的量比例为1:4-1:8。6.如权利要求3所述催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述水热反应温度为60-120℃，时间为8-24h。7.如权利要求3所述催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述含铁金属有机骨架和含氮金属有机骨架的质量比为1:100-1:5；机械混合方法包括球磨和研磨。8.如权利要求3所述催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述高温碳化处理过程为升温至700-1000℃并保持0.5-3h，然后降温至室温；所述升温过程中的升温速率为2-5℃/min；所述降温过程中降温速率为1-10℃/min。9.如权利要求3所述催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述惰性气氛为氮气、氩气、氮气、氩气中的一种或两种以上的混合气。10.一种权利要求1或2所述非贵金属氧还原电催化剂的应用，其特征在于：所述催化剂为聚合物电解质膜燃料电池或金属空气燃料电池阴极氧还原反应电催化剂。2CN109950557A说明书1/4页一种非贵金属氧还原电催化剂及其制备方法和应用技术领域[0001]本发明属于氧还原电催化剂及其制备技术领域，具体的说涉及聚合物电解质膜燃料电池或金属空气燃料电池阴极氧还原反应电催化剂。背景技术[0002]电催化氧还原是于聚合物电解质膜燃料电池和金属空气电池阴极发生的电化学反应，具有非常重要的地位。通常氧还原的电催化剂为铂基催