[发明专利]一种高电催化性能钴氮碳材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种高电催化性能钴氮碳材料的制备方法，属于催化剂材料制备技术领域。该制备方法包括：(1)以多元醇为溶剂配制钴盐溶液；(2)配制有机配体溶液，所用溶剂为乙醇或甲醇；(3)将有机配体溶液与钴盐溶液混合反应；(4)固液分离，获得沸石咪唑酯骨架结构材料；(5)将沸石咪唑酯骨架结构材料用无机盐溶液浸渍处理；(6)在惰性气体保护下，将经浸渍处理的沸石咪唑酯骨架结构材料高温煅烧分解，得到Co‑N‑C粗品；(7)将Co‑N‑C粗品进行纯化处理，去除其中的无机盐和杂质，获得Co‑N‑C纯品粉末。该制备方法制备的钴氮碳材料粒径小，比表面积大，孔容高，电催化性能高。

技术领域

本发明是属于催化剂材料制备技术领域，特别是关于一种高电催化性能钴氮碳材料的制备方法。

背景技术

在清洁能源中，氢燃料电池是直接以化学反应的方式将氢气(H₂)的化学能转化为电能的能量转化装置，具有能量转换效率高、高功率密度、占地面积小、应用范围广、能量转化过程清洁等优势，在重型卡车、公家车、便携电器设备等方便具有广阔的应用前景。虽然目前氢燃料电池已取得前所未有的进展，但仍存在很多急需解决的问题，其中之一就是用于燃料电池阴极的电催化剂。目前商业电催化剂主要以铂碳催化剂为主，但是铂作为贵金属，无论是产量还是价格都无法满足电催化剂大规模产业化的需要。所以开发非贵金属电催化剂意义重大，采用非贵金属替代贵金属铂，可以降低成本，改善催化剂性能，进一步促进氢燃料电池的商品化进程。

在目前的非贵金属体系中，钴氮碳(Co-N-C)催化剂由于其比表面积大、孔径分布合理、稳定性好、活性位密度高、抗甲醇等优点，是一种非常具有应用前景和商业潜力的催化剂。目前，合成Co-N-C的技术路线主要有以下四种：(1)将三聚氰胺/双氰胺与水混合形成混合溶液，并进行水热反应前驱体，再将前驱体与乙酸钴的乙醇溶液混合，固液分离后进行煅烧，得到钴氮碳催化剂(CN114534759A)；(2)先通过高温分解尿素、三聚氰胺等前驱体得到氮掺杂的碳载体(C₃N₄等)，再通过浸渍法将碳载体浸渍在硝酸钴、氯化钴等钴盐溶液中，最后通过进一步高温热解得到Co-N-C材料(CN106925330A)；(3)用丙烯腈和六水合氯化钴反应，乙酸乙酯作为溶剂，反应结束后过滤洗涤，将得到的固体与胶体SiO₂在混合溶剂中充分搅拌，过滤烘干后在管式炉中进行退火处理，再用HF水溶液处理，除去SiO₂得到CoNC样品(CN114345387A)；(4)将钴盐与2-甲基咪唑、邻二氮菲等配体在乙醇、甲醇溶剂中混合形成金属有机框架材料(MOFs)，再将MOFs在惰性气体氛围中高温热解得到钴氮碳(CN114713259A)。

但以上合成方案目前均存在一定问题。方案(1)在反应中需要采用水热反应进行前驱体的合成，该反应需要在高压釜中进行，反应温度为160～180℃，放大制备对反应装置要求较高，不适宜规模化生产制备。方案(2)是将钴盐前驱体先浸渍在到高比表面的载体上再进行热解，载体会限制活性位点的数量，负载量过高会导致活性位点分布不均匀，不利于催化活性的提升。方案(3)采用模板法制备钴氮碳材料，可以通过改变模板的尺寸调控钴氮碳的孔径，使其活性位点能够充分与反应物接触，但是合成过程相对复杂，且合成过程中使用的HF属于危化品，规模化生产中对操作流程和设备要求较高。方案(4)合成过程简单，得到的钴氮碳位点分布均匀，比表面积大，并且对合成条件和设备要求低，具有放大合成制备的潜力，是一种理想的制备钴氮碳的技术路线，但是在合成过程中，MOFs前驱体分散性和尺寸的调控仍存在一定的问题，需要进一步的研究和优化，以提高其电催化活性。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中制备钴氮碳过程中，MOFs前驱体分散性和尺寸难以调控的问题，提供一种高电催化性能钴氮碳材料的制备方法。

本发明第一方面提供一种高电催化性能钴氮碳材料的制备方法，包括以下步骤：