[发明专利]掺杂碳负载过渡金属硼化物纳米多功能催化剂及制备方法

说明书

一种掺杂碳负载过渡金属硼化物纳米多功能催化剂，它的化学成分的质量百分比为：过渡金属20～40％、硼10～18％、氮2～10％、碳43～65％；上述催化剂的制备方法主要是将摩尔比为1～30：1的过渡金属与碳化硼通过超声震荡形成悬浮液，将悬浮液放入微波炉，于70～90℃反应30～60s，停留30～60s,反复进行2～5次；从微波炉中取出容器，空冷至室温，分别用去离子水、乙醇和丙酮反复洗涤，恒温干燥，得到固体复合物粉末，再将1:3～10的固体复合物粉末与氮源放入真空炉中，在400～800℃下热处理2～3h，得到掺杂碳负载过渡金属硼化物纳米多功能催化剂。本发明制备工艺简单、条件温和、容易操作、制备成本低且易于规模化生产。

技术领域：

本发明属于催化剂技术领域，特别涉及一种非贵金属催化剂及其制备方法。

背景技术：

氢气作为一种高效、清洁、可再生能源，最近几年被认为是化石燃料能源的最佳替代品。以氢气为原料的氢氧燃料电池具有能量转化效率高、对环境的污染较小、操作方便、可利用的燃料多、存储和运输方便等优点逐渐成为了广泛关注的热点。燃料电池与电解水制氢是发展氢能利用的两大关键技术，而由两者构成的可再生燃料电池系统受到了越来越高的重视，可再生燃料电池与太阳能电池配套，可为空间站提供更大比功率、比能量的电源。可再生燃料电源系统还可与地面太阳能或风能配套，作为高效的蓄能电池，具有很好的应用前景。尤其是一体式可再生燃料电池，其在同一组件上既可以实现燃料电池功能又可以实现水电解功能，大大提高了可再生燃料电池的质量比功率及比能量，是目前该领域国际研究的热点。为了实现燃料电池的可再生应用，电极催化剂需要对催化氧还原反应和氧析出反应在低的过电位下同时具有较高的催化活性，而对于实现全解水反应，电极催化剂需要在同一电解液中对析氧反应和析氢反应都具有一定的催化能力，因此研究发展多功能电极催化剂是实现一体式可再生燃料电池的关键。

迄今为止，Pt是最好的氧还原和析氢催化剂,Ru或Ir等过渡金属及其氧化物对于氧析出反应催化活性很高。然而，尽管贵金属具有良好的催化活性，但其高昂的价格和资源的有限性使得其大规模的商业化生产受到了限制。此外，催化剂的稳定性也是可再生燃料电池实际应用需要重点考虑的问题。综上所述，开发和制备具有高活性、低成本和稳定性好的多功能非贵金属催化剂是十分必要的。

近年来，许多研究结果表明将具有不同催化活性的过渡金属化合物负载在掺杂的碳材料上，可获得同时具有催化阴极和阳极反应的双功能催化剂。如Q.Liu等利用溶剂热方法制备了N，S共掺杂的还原氧化石墨稀载NiCo₂S₄纳米颗粒的复合催化剂(NiCo₂S₄@N/S-rGO)，表现出优异的ORR和OER的双功能催化活性。过渡金属硼化物作为催化剂，常用于催化加氢反应，近几年研究发现其作为碱性二次电池负极材料具有很高的放电容量和良好的循环稳定性，吸引了广大研究者的兴趣，但其作为燃料电池和水电解催化电极材料还鲜有报道。石墨烯、碳纳米管等新型的碳材料均被研究者们用做催化剂的载体材料，但碳纳米管和石墨烯本身容易缠绕和交叠，影响活性位点与电解液和反应物种之间的充分接触，不利于动力学反应的进行。碳化硼作为一种导电陶瓷，具备良好的化学和电化学稳定性，且表面光滑，各种空隙较少，与传统碳载体相比可以提高负载金属颗粒的利用率。中国专利201110000141.X通过加热回流搅拌的方式制备出以导电陶瓷碳化硼为载体，担载不同种类贵金属的燃料电池催化剂。此专利中复合的金属种类为贵金属，且导电碳化硼对金属只是简单的机械担载，并未与金属发生复合反应，也仅研究了对氧还原反应的电催化性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、条件温和、容易操作、制备成本低且易于规模化生产的掺杂碳负载过渡金属硼化物纳米多功能催化剂及制备方法。

本发明主要是利用微波辅助液相沉淀法将过渡金属氧化物或者氢氧化物均匀负载在碳化硼微粒上，形成复合物，通过在惰性气氛中热处理使得碳化硼分解与过渡金属形成硼化物，并在此过程中加入氮源而制备得到掺杂碳负载过渡金属硼化物复合纳米多功能催化剂。