[发明专利]一种含铜氧还原催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种含铜氧还原催化剂的制备方法，属于催化剂制备领域。本发明将可溶性铜盐、KB、含氮有机物以及水混合进行水热反应后研磨，然后进行第一煅烧，第一煅烧产物经无机酸洗涤后进行第二煅烧，得到含铜氧还原催化剂。本发明使用廉价原材料，采用温和的可大批量生产的工艺来制备含铜氧还原催化剂，降低了生产成本，同时将可溶性铜盐还原成铜颗粒并均匀分散在KB中，并同时得到氮掺杂的碳(N_xC_y)和CuN_xC_y活性位点，导电炭黑KB负载这些活性位点，进而能够促进其催化性能。实施例的数据表明，本发明制备的含铜氧还原催化剂对氧还原反应的催化性能与商业上含量为20％的铂碳催化剂的性能十分接近。

技术领域

本发明涉及催化剂制备技术领域，尤其涉及一种含铜氧还原催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

金属-空气电池尤其是铝-空气电池，是最有前途的能量转换与储存技术手段。铝空气电池有不少特点，比如价格低，环境友好，运行温度低(常温)，实际能量密度高达600wh·kg^-1。但是，铝空气电池的空气电极在常温下的反应速度非常慢，需要催化剂来催化提速。目前最好的催化剂是商业铂碳，常见的是JM 20％Pt/C，但是铂金属非常昂贵，且稀少，很难大规模地商业应用。因此，寻找高效的非铂金属催化剂已成为该电池的瓶颈问题。

近些年来，铜基催化剂广受关注，其价格低，含量丰富，电子导电率高，并且氧气还原的过电势低。到目前为止，用于催化氧还原的铜基催化剂中，Cu-N-C类型报道较多，而且有些表现出较好的氧还原催化活性。目前，据文献报道，制备Cu-N-C类催化剂的常见技术方案归总主要有如下两种方式：(1)将铜盐与含氮有机物混合后直接于氩气流下煅烧；(2)将铜盐与卟啉或者酞青制成铜卟啉或者铜酞青，或者将铜盐与含碳含氮有机物混合制成铜有机骨架化合物，然后煅烧。这些制备往往需要使用价格较贵的材料，如铜酞青，卟啉，ZIF-8(沸石咪唑有机骨架物-8)，碳纳米管，1.3.5-均苯三甲酸，5-硝基邻菲啰啉等等，存在原料昂贵的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含铜氧还原催化剂的制备方法，在不影响氧还原催化剂的催化活性的基础上降低原料的成本。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种含铜氧还原催化剂的制备方法，所述含铜氧还原催化剂具有式I所示化学组成：

Cu/CuN_xC_y-KB 式I，

式I中KB为导电炭黑；

所述制备方法包括以下步骤：

(1)将可溶性铜盐、KB、含氮有机物以及水混合进行水热反应，得到水热产物；

(2)将所述步骤(1)得到的水热产物进行研磨，得到研磨物料；

(3)将所述步骤(2)得到研磨物料进行第一煅烧，得到第一煅烧产物；

(4)将所述步骤(3)得到的第一煅烧产物在无机酸中洗涤后进行第二煅烧，得到含铜氧还原催化剂。

优选地，所述步骤(1)中水热反应的温度为100～140℃，所述水热反应的时间为12～24h。

优选地，所述步骤(1)中可溶性铜盐中Cu²⁺的摩尔量与含氮有机物中N元素的摩尔量和KB的质量比为4mmol：7～10mmol：0.2g。

优选地，所述步骤(3)中研磨物料进行第一煅烧前还包括：用铜箔包裹所述研磨物料。

优选地，所述步骤(3)中第一煅烧的温度为600～900℃，所述第一煅烧的时间为1～3h。