[发明专利]一种过渡金属及硫氮共掺杂的大孔碳电催化剂的制备方法与应用

说明书

本发明公开一种过渡金属及硫氮共掺杂的大孔碳电催化剂的制备方法与应用。包括：(1)将过渡金属盐和碳源加入分散剂中并搅拌，得分散液；(2)将硫源、氮源、模板剂和石墨烯加入分散液中并搅拌，得混合物料；(3)将混合物料加热搅拌除去分散剂，干燥，冷却，研磨，得细小颗粒；(4)在惰性气氛下，将颗粒煅烧，冷却，洗涤，离心，干燥，得渡金属及硫氮共掺杂的大孔碳电催化剂。本发明的催化剂的制备方法简单，价格低廉，可重复性较好；本发明制备的大孔碳电催化剂具有良好的氧还原性能，能有效降低阴极氧还原反应的过电位，使用本发明制备的电催化剂组装液体电解质锌‑空气电池，电池的开路电压和恒流放电时间超过了商业化Pt/C催化剂。

技术领域

本发明涉及新能源材料技术以及电化学催化领域，具体涉及一种过渡金属及硫氮共掺杂的大孔碳电催化剂的制备方法与应用。

背景技术

随着社会的不断发展，人类日益增长的能源需求导致了化石燃料的迅速消耗，与此同时化石燃料的燃烧带来的污染导致了严重的全球性环境问题，为缓解人类对自然资源的严重依赖，对清洁可再生能源技术的探索显得尤为迫切，因此科学家们将大量精力投入到了高效、低成本和环境友好的能源转换和储存系统的研究和开发方面。其中氧还原反应(ORR)是在燃料电池和金属空气电池中普遍存在的阴极反应，考虑到催化剂的活性和稳定性，用于氧还原反应(ORR)的催化剂主要有Pt及其合金，但这些贵金属在自然界中非常稀少，而且价格昂贵。开发高性能、低成本氧还原电催化剂是推动新型能源及其技术发展的关键问题，因此，研发新型氧还原电催化剂成为了该领域中人们关注的热点课题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单的过渡金属及硫氮共掺杂的大孔碳电催化剂的制备方法，所制备的电催化剂具有丰富的大孔结构，比表面积大，化学稳定性好，可为活性位点提供足够的反应场景；此电催化剂具有良好的导电性和起始电位，降低了氧还原的过电位；将所制备的过渡金属及硫氮共掺杂的大孔碳电催化剂组装锌空气电池，电池的开路电压和恒流放电时间均超过了商业化的Pt/C催化剂。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种过渡金属及硫氮共掺杂的大孔碳电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将过渡金属盐和碳源加入分散剂中并搅拌，得到分散液；

(2)将硫源、氮源、模板剂和石墨烯加入分散液中并搅拌，得到混合物料；所述硫源与所述氮源为同一种物质；

(3)将所述混合物料加热搅拌除去分散剂，然后干燥，冷却，研磨，得到细小颗粒；

(4)在惰性气体保护下，将所述颗粒煅烧，然后冷却，洗涤，离心，干燥，得到过渡金属及硫氮共掺杂的大孔碳电催化剂。

进一步，步骤(1)中所述过渡金属盐为六水合氯化钴、六水合氯化铁、六水合氯化镍中的任一种；所述碳源为氨基酸；所述分散剂为去离子水；所述过渡金属盐与所述氨基酸的质量比为(0.5-1)：1；所述碳源与所述分散剂的质量体积比为3-10mg/mL；所述搅拌为磁力搅拌，且搅拌时间为1-3小时。

进一步，所述氨基酸为L-瓜氨酸、L-胱氨酸、L-蛋氨酸、L-精氨酸、D-氨基葡萄糖盐酸盐中的任一种。

进一步，步骤(2)中所述硫源和所述氮源为同一种物质且为硫脲；所述模板剂为无机盐模板剂；所述搅拌为磁力搅拌，且搅拌时间为2-6小时；所述硫脲与所述无机盐模板剂的质量比为1：(20-30)；所述硫脲与所述石墨烯的质量比为2:1；所述模板剂与所述分散液的质量体积比为0.1-0.2g/mL。

进一步，所述的无机盐模板剂为氯化钠、氯化钾、硫酸钠中的任一种。所述的无机盐模板剂具有造孔作用，形成大孔的电催化剂。

进一步，步骤(3)将所述混合物料在60-90℃的油浴条件下搅拌1-2小时除去分散剂，然后在60-80℃下真空干燥1-3小时，干燥后冷却至室温，冷却后研磨，得到细小颗粒。