[发明专利]一种以吡咯基四嗪为前驱体的氧还原催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开一种以吡咯基四嗪为前驱体的氧还原催化剂及其制备方法，将单体(吡咯基)_n‑1,2,4,5‑四嗪(n为1或2)与催化剂、烷基化试剂反应，获得吡咯基四嗪环聚合物，然后吡咯基四嗪环聚合物在惰性气氛中进行热处理，最终获得一种操作简单、经济有效、稳定性高和催化活性高的以吡咯基四嗪为前驱体的氧还原催化剂，利于工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种氧还原催化剂的制备方法，具体涉及一种以吡咯基四嗪为前驱体的氧还原催化剂及其制备方法，属于燃料电池科学技术领域。

背景技术

传统能源消耗的增加和环境污染的加剧为目前急需解决的一个问题，而燃料电池(Fuell Cell，FC)是一种环境友好且高效的新能源装置，它的主要作用是把化学能转化为电能，是一种比较绿色的能源装置，被公认为是取代传统能源的最佳选择。

氧还原反应(oxygen reduction reaction，ORR)是重要的电催化反应之一，是燃料电池和金属-空气电池中的关键步骤，然而，燃料电池由于其成本高和稳定性差制约其快速发展，而其成本高主要是燃料电池的阴极ORR需要Pt及Pt基催化剂，Pt的稀缺性和长期运行稳定性欠佳等因素限制了燃料电池的商业化应用。

而碳材料的因其成本低、导电性好、化学稳定性优异和抗甲醇渗透性强，已被广泛应用于电化学领域。其中，氮掺杂碳(NC)材料由于在燃料电池阴极的ORR中展现出优异的电化学性能，目前对其的研究尤为活跃。氮元素掺入碳材料(石墨烯、碳纳米管等)的石墨结构中会改变基质的原子的电子结构和增加其导电性能，形成SP²杂化C结构的离域共轭体系，进而提高碳材料的电化学性能。

现在采用最多的NC催化剂的合成方法主要有三种，第一种为前掺杂或原位掺杂，这种方法能获得较高的氮含量，但无法批量生产，Sun等人用固态的含氮掺杂剂合成了N掺杂的石墨烯，采用一步法使N掺杂的石墨烯及未掺杂的石墨烯可控生长，也使气相沉积法能在较低温度实现(Nature,2010,468:549-552)。第二种为后掺杂，是氮原子对化学性质稳定的碳材料进行掺杂，Nagaiah等通过在NH₃氛围下热处理氧化CNTs得到具有较高催化活性的N掺杂CNTs，其起始电位可与商业Pt/C相媲美，电流密度以及稳定性均超过Pt/C(Electrochemistry Communications，2010,12:338-341)。第三种为直接热解法，是通过热解含氮有机前驱体来制备NC材料的方法，Xiang等人合成了一系列具有不同N分布和孔径的共价有机聚合物，再经过碳化过程得到了可控结构的N掺杂多孔石墨碳材料，且ORR性能出色(Advanced materials,2014,26:3315-3320)。

上述催化剂存在制备方法复杂、制备工艺条件难以控制等缺陷，不利于催化剂的产业化制备，因此，发展价格低廉、制备工艺简单、活性高、稳定性强的ORR催化剂具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种价格低廉、合成方法简单、稳定性高的以吡咯基四嗪为前驱体的氧还原催化剂及其制备方法，本发明所用的含吡咯基四嗪环的多孔聚合物用来制备NC催化剂无需另外添加碳源，也就无须考虑碳源与聚合物是否混合均匀，可通过简单热处理制备出性能优异的ORR催化剂。

根据本发明的第一种实施方式，提供一种以吡咯基四嗪为前驱体的氧还原催化剂。

一种以吡咯基四嗪为前驱体的氧还原催化剂，该氧还原催化剂是通过(吡咯基)_n-1,2,4,5-四嗪单体在有或没有催化剂的存在下与烷基化试剂反应，获得吡咯基四嗪环聚合物，然后将吡咯基四嗪环聚合物进行热处理而最终获得的氧还原催化剂；

其中n为1或2。