[发明专利]氧还原催化剂及其制备方法、氧还原电极和燃料电池

说明书

技术领域

本申请涉及一种氧还原催化剂及其制备方法、氧还原电极和燃料电池。

背景技术

随着科技的快速发展，加快了工业生产的步伐，但同时也使得环境污染和能源短缺等问题越发的严重，人们必须寻找一种新型环境友好的能源来解决这些问题。燃料电池作为一种新型清洁能源装置，具有高效率、零污染、易启动等优点，对解决目前面临的问题，实现能源的多样化意义重大。然而燃料电池的阴极和阳极主要采用铂基催化剂，其中由于阴极氧还原反应动力学缓慢，阴极需要更多的Pt来促使氧还原反应的发生，造成了燃料电池成本的增加，而Pt价格昂贵、资源稀缺，成为制约其大规模商业化进程的瓶颈之一。为降低其催化剂的成本，目前采用的方法主要有两种，一种则是提高铂的利用率减少其使用量；另一种则是寻找高活性的非贵金属催化剂或无金属的催化剂。但由于金属基催化剂稳定性低、金属对环境的污染大等问题，无法使其实用于清洁能源装置。为解决上述等问题，从长远的角度来看，最优的解决方案则是用非金属催化剂。

近年来国内为在阴极杂原子掺杂的碳基非金属催化剂方面取得了重大的突破(R.Li,Z.Wei,X.Gou,ACS Catal.2015,5,4133–4142；M.-M.Titirici,R. J.White,N.Brun,V.L.Budarin,D.S.Su,F.del Monte,J.H.Clark,M.J. MacLachlan,Chem.Soc.Rev.2015,44,250–290.)，研究也发现掺杂杂原子的石墨化碳材料如碳纳米管，石墨烯作为无金属氧还原催化剂也有很高的催化活性(S.Wang,L.Zhang,Z.Xia,A.Roy,D.W.Chang,J.B.Baek,L.Dai,Angew. Chem.Int.Ed.2012,51,4209–4212；Angew.Chem.2012,124,4285–4288； W.Wei,H.Liang,K.Parvez,X.Zhuang,X.Feng,K.M llen,Angew.Chem.Int. Ed.2014,53,1570–1574；Angew.Chem.2014,126,1596–1600；)目前也发现杂原子掺杂的协同效进一步提高了提高催化剂的活性(L.Qu,Y.Liu,J.-B. Baek,L.Dai,ACS Nano 2010,4,1321–1326；)。因此，开发一种新的多掺杂前驱体来协调催化剂的结构是十分必要的，大多数报道的杂原子掺杂主要包括 N,P,B,S,F中的一种或多种(J.Zhang,L.Qu,G.Shi,J.Liu,J.Chen,L.Dai, Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,2230–2234；Angew.Chem.2016,128,2270– 2274；)。但以这些杂原子掺杂的催化剂合成工艺复杂，含杂原子的原料昂贵且杂原子的掺杂效率不高等。因此，寻找一类廉价易得且制备简单的杂原子掺杂前驱体来制备非金属氧还原催化剂就变得十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氧还原催化剂及其制备方法、氧还原电极和燃料电池，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开一种氧还原催化剂，其为氮氟硼三种杂原子进行掺杂的碳基催化剂。

相应的，本申请还公开了一种氧还原电极，其具有：

气体扩散层、和

配置在所述气体扩散层上的催化剂层，所述催化剂层是所述的氧还原催化剂。

优选的，在所述的氧还原电极中，所述气体扩散层为碳基板。

本申请还公开了一种燃料电池，包括：

电解质膜；

所述的氧还原电极，以及

分别位于所述氧还原电极的外侧的隔板。

本申请还公开了一种氮氟硼三种杂原子进行掺杂的碳基催化剂的制备方法，在惰性气体保护下，于560～1000℃煅烧硼氟酸咪唑类离子液体，获得目标产物。

优选的，在上述的氮氟硼三种杂原子进行掺杂的碳基催化剂的制备方法中，硼氟酸咪唑类离子液体包括乙烯基咪唑和氟硼酸。

优选的，在上述的氮氟硼三种杂原子进行掺杂的碳基催化剂的制备方法中，乙烯基咪唑和氟硼酸的摩尔比为1:1～1:1.5。

优选的，在上述的氮氟硼三种杂原子进行掺杂的碳基催化剂的制备方法中，硼氟酸咪唑类离子液体包括甲基咪唑和氟硼酸。

优选的，在上述的氮氟硼三种杂原子进行掺杂的碳基催化剂的制备方法中，甲基咪唑和氟硼酸的摩尔比为1:1～1.8。