[发明专利]一种多孔异质结构催化材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种多孔异质结构催化材料及其制备方法，该方法通过使用作为氮源的2‑甲基咪唑充当基质，添加适量金属源后，再将蒸发诱导自组装后的混合物进行碳化处理，碳化过程中金属原子与2‑甲基咪唑结合成键，分解挥发，最终形成具有纯净组成及异质结构的双金属氮化物结构，上述金属源为铁盐、镍盐按任意比例的混合物。本发明无需有机溶剂，并且，氮源、金属源的添加以及异质结构使得该材料比表面积大、稳定性好、电化学活性优良、导电性好，尤其适用于快速批量合成，在电化学催化领域适合推广应用。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种多孔异质结构催化材料及其制备方法。

背景技术

近年来，传统化石燃料的过度消耗及引发的以严重雾霾为首的环境问题成为我国建设生态文明的一大阻碍。当今，以新型可持续能源大规模取代传统能源是解决能源与环境污染的理想方案。燃料电池拥有高能量效率、高效率及环境友好性，成为新能源领域的焦点。以铂为代表的贵金属及其合金拥有高催化活性，作为燃料电池阴极的高效催化剂已被广泛研究，并在商业上用于工作温度接近室温的质子交换膜燃料电池装载的电动汽车上。然而，Pt等贵金属昂贵且相对储量低，限制了燃料电池产业的进一步发展。因此，亟需开发一种高效、廉价且易得的非贵金属催化剂。

目前，过渡金属-氮-碳材料因具有优异的氧还原催化活性及稳定性，被认为是当前最有潜力取代贵金属催化剂的低成本催化材料。研究者们普遍认为，过渡金属氮化物是过渡金属-氮-碳材料的主要活性成分，但是单金属氮化物材料由于本身导电性较差，金属原子易团聚等，会导致其其催化活性不足。对此，业内也有人提出双金属结构的氮化物催化剂。

如一篇公开号为CN 107086313 A的中国发明专利申请公开一种铁、钴、氮共掺杂炭催化剂及其制备方法和应用，采用铁/钴双金属沸石咪唑酯骨架材料作为前驱体，通过高温热解制备得到铁、钴、氮共掺杂炭催化剂；其中，铁/钴双金属沸石咪唑酯骨架材料是在无氧环境下采用硫酸亚铁、硝酸钴和2-甲基咪唑在溶剂中进行自组装反应制得。该发明制备的铁、钴、氮共掺杂炭催化剂虽然具有优于商业化Pt/C的氧气还原催化活性、电化学稳定性以及抗甲醇中毒能力，但在制备过程中需要用到有机溶剂甲醇，并且铁/钴双金属沸石咪唑酯骨架材料的制备需要在无氧环境下进行，不利于推广。

又如一篇公开号为CN 111203264 A的中国发明专利申请公开一种新型铁-镍-氮共掺杂碳催化剂，该催化剂先是以含三芳基咪唑苯胺衍生物( TPI-NH2 )进行氧化聚合反应获得三芳基咪唑聚苯胺衍生聚合物( TPANI )；然后将三芳基咪唑聚苯胺衍生聚合物(TPANI )、铁源、镍源、三聚氰胺混合反应获得TPANI/三聚氰胺/Ni-Fe混合物；最后将TPANI/三聚氰胺/Ni-Fe混合物在保护性气体氛围下进行热处理后获得铁-镍-氮共掺杂碳催化剂( NiFe/N-C )。该发明专利申请制得的铁-镍-氮共掺杂碳催化剂虽然也有较高的比较面积和丰富的孔隙结构，但同样需要用到有机溶剂，并且制备流程复杂，投入原料、能源时间成本较高，难以量产，推广潜力低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种无需有机溶剂、便于推广利用的多孔异质结构催化材料制备方法。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。

一种多孔异质结构催化材料，其特征在于，按以下制备方法制得：以2-甲基咪唑作为基质，添加适量混合金属源后采用蒸发诱导自组装的方法制得粗产物，然后对粗产物进行碳化处理，碳化过程中金属原子与2-甲基咪唑结合成键、分解挥发，最终得到多孔异质结构双金属氮化物催化剂。

更为优选的是，所述混合金属源为铁盐、镍盐中的一种或几种按任意比例的混合物。

更为优选的是，所述铁盐选自氯化铁、硝酸铁、草酸铁中的一种或几种，所述镍盐选自氯化镍、硝酸镍、草酸镍中的一种或几种。

更为优选的是，所述混合金属源由铁盐和镍盐组成，所述2-甲基咪唑、所述铁盐、所述镍盐的摩尔比为1：2：0.2-1。