[发明专利]基于聚合物水凝胶的氧还原催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于聚合物水凝胶制备氧还原催化剂及其制备方法。采用聚丙烯酰胺水凝胶为主体材料，在水凝胶制备过程中进一步引入氮源、硫源，经过冷冻干燥的水凝胶在惰性气体条件下恒温碳化处理得到高氧还原活性的氮‑炭催化剂或氮、硫共掺杂炭催化剂。本发明通过水溶液合成方法有效提升了催化剂中催化活性位的均匀分布，所得催化剂比表面积高、氧还原性能好。本发明制备的氮或氮、硫共掺杂炭催化剂具有原材料来源广、成本低、制备简单的优点，适合推广应用。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种用于燃料电池阴极氧还原反应的非贵金属催化剂及其制备方法。

背景技术

氧还原催化剂是燃料电池的关键材料之一，由于氧还原反应涉及四个电子、动力学速度慢，在能源转换过程中一般处于制约步骤。在燃料电池中，阴极氧还原速度仅为阳极氢氧化速度的1/10⁶。因此，氧还原催化剂的开发是燃料电池研究领域的热点与重点问题。当前，氧还原催化过程主要依赖贵金属铂或铂钌催化剂。然而由于贵金属铂或铂钌资源的紧缺以及价格持续攀升，燃料电池器件对贵金属的依赖极大地制约了其产业化进程。因此，开发新型低成本的非贵金属氧还原催化剂对于降低燃料电池成本及促进其商业化应用具有重要的意义。非金属杂原子掺杂炭基材料在燃料电池氧还原过程中显示了良好的催化活性及稳定性，同时具有价格便宜、原料来源广、制备简单等优点，使其在氧还原催化领域具有广阔的应用前景。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于聚合物水凝胶的氧还原催化剂及其制备方法，制备方法简单、成本低廉、催化活性高、稳定性好，适合推广应用及大规模生产。

本发明第一方面提供了一种基于聚合物水凝胶制备氧还原催化剂的方法，包括以下步骤：

1)将丙烯酰胺或丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸混合物、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺溶解在去离子水中，向溶液中添加可溶性含氮化合物或含硫化合物，然后加入过硫酸盐引发剂，将上述溶液体系于60-80℃下静置0.5-1.5小时即可得到聚合物水凝胶；

2)将步骤1)制备的聚合物水凝胶冷冻干燥12-24小时，得到干凝胶；

3)将步骤2)制备的干凝胶在惰性气体保护下恒温碳化处理，对恒温碳化后的产物进行研磨，即得到氧还原催化剂。

本发明第二方面提供采用上述装置方法制备的氧还原催化剂。

本发明的有益效果是：本发明利用丙烯酰胺(含氮单体)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(含硫单体)和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺交联聚合形成聚合物水凝胶，同时在制备水凝胶的溶液体系中添加一定量可溶性含氮化合物或含硫化合物。所形成的水凝胶经冷冻干燥和高温碳化即得到杂原子掺杂的氧还原催化剂。在上述合成过程中，杂原子的掺杂量易于控制，同时经冷冻干燥所得到的催化剂孔隙结构发达，催化性能优异。而且，本发明制备的氧还原催化剂具有原料来源广，成本低，制备简单等优点，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是实施例1得到的催化剂的BET图。

图2是实施例1得到的催化剂的拉曼谱图。

图3是实施例1得到的催化剂的XRD图。

图4是实施例1得到的催化剂极化曲线图。

具体实施方式

本发明第一方面提供了一种基于聚合物水凝胶制备氧还原催化剂的方法，包括以下步骤：

1)将丙烯酰胺或丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸混合物、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺溶解在去离子水中，向溶液中添加可溶性含氮化合物或含硫化合物，然后加入过硫酸盐引发剂，将上述溶液体系于60-80℃下静置0.5-1.5小时即可得到聚合物水凝胶；