[发明专利]催化剂及其制备方法

说明书

本公开涉及一种催化剂及其制备方法。具体地，本公开涉及一种电极催化剂，其被配置成将非贵金属颗粒、贵金属颗粒或掺杂有氮化物的贵金属颗粒负载在具有二维平面晶体结构或三维多面体晶体结构并掺杂有氮的碳载体上，从而表现出更高的催化活性。

技术领域

本公开涉及一种催化剂及其制备方法。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可以不构成现有技术。

为了提高电极反应速度，聚合物电解质膜燃料电池必须使用贵金属铂作为催化剂。铂价格昂贵，而且储量有限。

正在研究用于置换铂的非铂过渡金属通过配位键连结至氮的催化剂，尤其是多孔金属/有机骨架(Metal-organic frame work)是由过渡金属、氮和碳组成的复合物，由于具有大的比表面积、微孔以及过渡金属和氮的配位键而具有优异的性能，并且在许多研究中已经报道了将该复合物用作非铂燃料电池电极催化剂。但是，很少报道对具有足够性能的非铂催化剂的研发。

当使用少量的铂时，具有大的比表面积和优异的孔结构的碳被用作铂载体，以通过负载小尺寸颗粒来增加相对于质量的活性。另外，有报道将氮、硫、磷等添加到现有的碳结构中，从而通过电子结构的变化提高了性能。

为了减少铂的使用并提高非铂催化剂的低活性，我们发现从活性和价格两方面考虑，将两种体系结合在一起的复合催化剂被认为是理想的催化剂。然而，铁的使用在副反应中产生羟基，因而缩短了燃料电池的寿命。

发明内容

本公开提供一种可以有效应用贵金属和非贵金属的燃料电池或水电解电池的电极催化剂的制备方法。

本公开提供一种通过使用铁(Fe)之外的非贵金属而减小贵金属的含量并具有高活性的电极催化剂。

本公开提供一种催化剂，包括：碳载体，掺杂有氮；以及固体颗粒，负载在碳载体表面上，其中，固体颗粒包括选自由非贵金属颗粒、贵金属颗粒、含氮化物的贵金属颗粒及其组合组成的组中的任何一种颗粒。

碳载体可以具有二维平面晶体结构或三维多面体晶体结构。

碳载体的孔隙率可以为10％至85％。

氮化物可以包括钴氮化物。

固体颗粒可以包括选自由贵金属颗粒、含钴氮化物的贵金属颗粒及其组合组成的组中的任何一种颗粒。

非贵金属颗粒可以包括钴，并且贵金属颗粒可以包括铂。

催化剂可以包含在燃料电池或水电解电池的电极中。

另外，本公开提供一种催化剂的制备方法，包括：通过合成金属前驱体和烷基咪唑制备载体；通过对载体进行初次热处理制备掺杂有氮的碳载体；对碳载体进行二次热处理；通过对碳载体进行酸处理从去除金属颗粒，从而纯化碳载体；以及通过对碳载体进行三次热处理制备复合催化剂。

载体可以包括作为沸石咪唑酸酯骨架的ZIF-67。

初次热处理可以在惰性气体气氛中在25℃至1000℃的温度下进行10分钟至300分钟，二次热处理可以在7以下的质子浓度(pH)下在60℃至100℃的温度下进行2小时至10小时。

通过初次热处理制备的碳载体可以在其表面上包括钴颗粒。

可以将碳载体与铂一起添加到溶剂中并对碳载体进行二次热处理。

进行二次热处理后的碳载体可以在其表面上包括选自由钴、镍、铂及其组合组成的组中的任何一种颗粒。

酸处理可以在盐酸水溶液中在90℃至120℃的温度下进行1小时至3小时。

通过酸处理从碳载体上去除的金属颗粒可以包括未键合至铂的纯钴。