[发明专利]一种基于天然植物的低成本高效率氧气还原反应催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种氧气还原反应催化剂材料的制备方法，尤其涉及一种基于天然植物的低成本高效率氧气还原反应催化剂的制备方法。

背景技术

氧气还原反应是燃料电池中最常见的阴极反应，即氧气通过四电子过程结合电子和质子转化为水。

                                                

氧气还原催化剂是燃料电池阴极至关重要的组成部分，其性能的好坏直接决定于最终电池的性能。铂（Pt）是最常用的一种高效的氧气还原反应催化剂。然而，由于Pt的价格非常昂贵，给电池带来非常高的成本。近年来，科学家们开发了多种新型的高效氧气还原催化剂，如过度金属硫化物、酶电催化体系、甚至导电聚合物（聚噻吩） ( Winther-Jensen B, Winther-Jensen O, Forsyth M, MacFarlane DR., Science. 2008, 321, 671)。特别地，氮掺杂碳纳米材料(Gong KP, Du F, Xia ZH, Durstock M, Dai LM., Science. 2009, 323,760. Yu, D.S., Zhang, Q.A. & Dai, L.M. J. Am. Chem.Soc. 132, 15127；Liu, R.L., Wu, D.Q., Feng, X.L. & Mullen, K., Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 2565; Qu, L., Liu, Y., Baek, J.-B. & Dai, L., ACS Nano, 2010, 4, 1321)，氮-金属掺杂碳纳米材料 ( Wu G, More KL, Johnston CM, Zelenay P. 2011, 332, 443)、硫 ( Yang Z, Yao Z, Li GF, Fang GY, Nie HG, Liu Z, et al., Acs Nano. 2012, 6, 205;  Wohlgemuth SA, Vilela F, Titirici MM, Antonietti M. A., Green Chemistry. 2012, 14, 741)或磷 ( Liu ZW, Peng F, Wang HJ, Yu H, Zheng WX, Yang JA., Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 3257; Liu ZW, Peng F, Wang HJ, Yu H, Tan J, Zhu LL., Catal. Commun. 2011. 16, 35)掺杂的碳纳米材料等，在酸性、碱性或中性条件下具有与Pt相当的氧气还原催化活性，而且不易中毒。这些催化剂制备方法相对较简单，且相对于Pt具有较低的成本，近年来受到众多科学家的广泛关注，并广泛应用于质子交换膜燃料电池（氢氧燃料电池）、甲醇燃料电池以及微生物燃料电池等。然而，与Pt相比，这些催化剂具有相对较低的成本，但是它们的制备都涉及比较复杂的过程。对于电池的发展，低成本和高性能是永恒追求的目标。本发明提供了一种超低成本、高效率氧气还原催化剂的制备，用于燃料电池的阴极反应催化剂，包括碱性、中性和酸性燃料电池。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于天然植物的低成本高效率氧气还原反应催化剂的制备方法，该方法具有超低成本、高效率。

本发明是这样实现的，其制备步骤如下：

（1）收集自然界生长的含杂元素的天然植物，如丝瓜络、麻杆等，烘干；

（2）将烘干的天然植物置于高温炉中，在氮气的保护下，以升温速度为1-20 oC/分钟的升温速率加热到800-1600 oC，并在相应的温度停留30-200min，得到碳化材料； 

（3）让电炉自然冷却到400 oC 以下，将碳化材料取出即得到氧气还原催化剂；所述的含杂元素的天然植物中所含的杂元素包括氮、硫、磷、硼或硒等；可以只含一种，也可以同时含有多种杂元素，它们总含量大于1%。

所述催化剂的最佳制备温度范围是1000-1300 oC；在该温度范围内制备的催化剂，其催化氧气还原反应是按4电子反应路径生成水。

所述催化剂的最佳制备温度范围是1000-1300 oC；在该温度范围内制备的催化剂，其催化氧气还原反应是按4电子反应路径生成水。