[发明专利]一种燃料电池用钴-氮共掺杂碳气凝胶催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池用钴‑氮共掺杂碳气凝胶催化剂及其制备方法，其核壳结构及材质构成为Co‑phen@CA；其中，载体为高温碳化后的碳气凝胶，活性组分为在碳气凝胶表面均匀分布的钴单质及其氧化物和碳化物；本发明以六水合硝酸钴与有机配体邻菲罗啉和吡啶2,6‑二羧酸在水热环境下反应生成了一类新颖的具有片状结构的金属有机骨架配合物材料，通过碳气凝胶对其进行包覆后形成了一类新的复合材料，而煅烧过程使用N₂作为保护气体，明显降低了制备成本，将促进非贵金属催化剂的进一步发展。

技术领域

本发明属于燃料电池用非贵金属催化剂技术领域，具体涉及一种由碳气凝胶包覆金属有机骨架配合物材料（Co-phen）制备的钴-氮共掺杂碳气凝胶催化剂（Co-phen@CA）。

背景技术

燃料电池（Fuel cells）作为一种将燃料的化学能通过电化学反应的方式直接转变为电能的发电装置，是21世纪具有广阔应用前景的一种清洁能源装置，它的出现以期望替换现阶段传统能源及可充电锂离子电池。作为在低温下可顺利运行的碱性燃料电池，其发展正得到人们越来越多的重视。

目前，低温燃料电池阴极催化剂完全依赖铂（Pt）才能达到功率要求，而Pt的成本及储量局限了其规模商业化。因此，开发低成本、高活性密度中心、高稳定性的非贵金属催化材料对于低温燃料电池技术的广泛推广举足轻重。

但是，这类催化剂目前仍存在两个致命的缺点：难以突破稳定性和兼顾活性（活性位点的识别问题）；应用于阴极催化层中存在亟待解决的科学和技术问题（较厚的催化层导致传质阻力增加的问题）。

因此，识别出催化剂的活性位点，了解催化剂机理，以此指导具有高密度活性中心的非贵金属催化剂设计与合成，成为低温燃料电池阴极催化剂需突破的关键技术。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种制备简单，成本较低，高催化活性和稳定性好的燃料电池催化剂，为实现该目的，本发明采取了以下技术方案：一种燃料电池用钴-氮共掺杂碳气凝胶催化剂，其核壳结构及材质构成为Co-phen@CA；其中，载体为高温碳化后的碳气凝胶，活性组分为在碳气凝胶表面均匀分布的钴单质及其氧化物和碳化物。

本发明的另一目的是提供一种由金属有机骨架配合物材料制备的钴-氮共掺杂碳气凝胶催化剂的制备方法，具体实施步骤如下：

（1），称取1.503g吡啶2,6-二羧酸溶于20ml甲醇中得到A溶液；称取1.31gCo(NO₃)·6H₂O与1.62g邻菲罗啉溶于15ml甲醇与20ml去离子水的混合溶液中，得到B溶液；将完全溶解的A加入完全溶解的B溶液中，室温下搅拌12～24h，抽滤干燥，得到具有片状结构的金属有机骨架配合物Co-phen；

（2），将甲醛和间苯二酚以 1:2 比例混合，以无水碳酸钠为催化剂，加入三次去离子水，在惰性气体保护下搅拌混合均匀，然后将混合均匀的溶液放入密封容器，陈化，得到有机气凝胶；将有机气凝胶酸化后全部浸泡在丙酮中，将溶剂置换后得到的有气凝胶进行半密封式干燥直至有机气凝胶恒重，将得到的干燥的有机气凝胶研磨成粉末，在惰性气体保护下管式炉中碳化，然后自然冷却降温，得到黑色的碳气凝胶粉末；

（3），称取一定比例Co-phen和碳气凝胶于乙二醇溶剂中，超声搅拌使其分散均匀，加入NaOH溶液调节pH为7-10，搅拌12-24h，过滤干燥，完成Co-phen@CA的合成；

（4），将步骤（3）所得混合物置于瓷舟中，在N₂氛围下，利用管式炉对其高温处理，得到燃料电池用钴-氮共掺杂碳气凝胶催化剂。

其中，所述步骤（2）中Co-phen与碳气凝胶质量比为1:10—5:10。