[发明专利]一种钴氮共掺杂介孔碳球电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种钴氮共掺杂介孔碳球非贵金属氧还原电催化剂及其制备方法和应用，该催化剂通过：(1)将四水合醋酸钴、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈和气相二氧化硅共同溶解在溶剂中，充分搅拌、混合均匀；(2)将混合物溶液加入注射器中，以铝箔作为接受装置，进行静电纺丝，得到的聚合物纤维球；(3)先将聚合物纤维球进行预氧化，接着进行煅烧，最后将煅烧后的样品进行刻蚀除去气相二氧化硅，干燥后，得到。与现有技术相比，本发明具有原料价格低廉，制备过程与生产方法简单，对环境无污染，具有较好的催化氧还原性能等优点。

技术领域

本发明涉及电化学能源技术领域，尤其是涉及一种钴氮共掺杂介孔碳球非贵金属氧还原电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

将燃料与氧化剂的化学能直接转换成对外输出的电能的燃料电池是以电化学原理而工作的电化学能源装置。其与一般的原电池和铅蓄电池的不同之处在于其内部不储存电极反应活性物质，而是由外部提供。因此，从理论上讲，只要外部不间断地为其提供燃料，那么燃料电池就可以一直对外输出电能。因为燃料电池是不经过燃烧，而将燃料与氧化剂的化学能直接转换成对外输出的电能，所以燃料电池具有不受卡诺循环限制的特点，进而具有较高的能量转化率。然而燃料电池并未因其不受卡诺循环限制的特点与能量转化率高的特点而大规模发展与商业化，其中一个重要的限制条件是其阴极氧还原电催化剂。

目前铂及其合金是质子交换膜燃料电池阴极氧还原电催化剂，但是含铂的催化剂也有其不足之处，例如地球资源有限，价格不菲，长时间运行稳定性不行，一氧化碳、甲醇等有毒物质会使其中毒失活。这在文献Winter M,Brodd R J.What Are Batteries,FuelCells,and Supercapacitors.[J]Chemical Review,2004(104):4245-4270.和Gong K P,Du F,Xia Z H,et al.Nitrogen-Doped Carbon Nanotube Arrays with HighElectrocatalytic Activity for Oxygen Reduction.[J]Science,2009,323(5915):760-763.均有记载。所以，质子交换膜燃料电池大规模发展与商业化的核心是能找到一种理想的能代替铂及其合金的阴极氧还原电催化剂。

近年来，由于碳球、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米片等多种多孔碳纳米材料具有比表面积大而且导电性良好的特点，因此被广泛应用于超级电容器、电化学传感器、钠离子电池、金属空气电池、锂离子电池和催化剂及其载体等中。由于单纯的多孔碳纳米材料的稳定性不好，所以在多孔纳米碳材料中引入非贵金属元素，铁钴镍铜等，和杂原子，氮磷硫氟等，可以改善其性能。其中，金属钴元素与杂原子氮共同掺杂到多孔碳纳米材料后，其性能可以与商业铂碳相媲美，甚至超越。在质子膜交换燃料电池中，反应速率及能量转换速度主要受阴极氧还原反应(ORR)制约，因此，寻找催化性能良好的阴极电化学催化材料极其重要。目前应用较多的阴极催化剂是铂系催化剂，但是该催化剂具有容易中毒、价格昂贵等特点。而过渡金属(Fe,Co)杂化材料却具有电催化活性好和不易中毒的特点，是取代或部分取代铂催化剂的极佳候选者。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种原料价格低廉，制备过程与生产方法简单，对环境无污染，具有较好的催化氧还原性能的钴氮共掺杂介孔碳球非贵金属氧还原电催化剂及其制备方法和应用。

本发明将以N,N-二甲基甲酰胺作为溶剂，四水合醋酸钴，气相二氧化硅，聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯腈作为溶质，使其一起溶解在作为溶剂的N,N-二甲基甲酰胺中。充分搅拌均匀混合后，进行静电纺丝操作，用铝箔作为接收器接收纺丝的产物。然后，纺丝产物先在氧气氛围中预氧化，其次再在惰性气体下煅烧，最后用氢氟酸除去气相二氧化硅后得到钴氮共掺杂介孔碳球非贵金属氧还原电催化剂。将金属钴元素引入体系，在氧还原测试中具有较好的氧化还原性和抗甲醇性能及寿命。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：