[发明专利]一种氮掺杂电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂电催化剂及其制备方法和应用，该电催化剂是通过水热法制备，包括以下步骤：(1)将GDY水溶液超声处理获得较小尺寸的石墨炔溶液；(2)将上述GDY溶液与含氮小分子溶液混合超声，转移至反应釜中水热得到均一溶液；(3)将所得溶液透析冷冻干燥即可得到氮掺杂电催化剂。本发明制备方法简单、成本低，量子点尺寸小从而具有较高的比表面积，氮元素的掺杂可以提高催化剂对氧气的吸附能力，为碱性条件下的氧气还原反应提供了丰富的活性位点，可以将其作为Pt基金属催化剂的替代品进行工业化生产并推广使用。

技术领域

本发明属于电催化剂，具体涉及一种氮掺杂电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

阴极氧还原反应(ORR)常被视为燃料电池性能的重要因素之一。目前，ORR催化剂普遍采用Pt或其他贵金属作为氧还原的电催化剂，但Pt及其他贵金属催化剂产量和资源储备的有限性，繁琐的制备工艺及昂贵的价格限制了此类催化剂的广泛应用从而影响燃料电池的商业化发展。因此，开发一类高效、低成本且催化活性稳定的新型非贵金属乃至非金属阴极催化剂成为电催化领域研究人员关注的热点之一。

研究表明，碳纳米材料如碳纳米管、石墨烯、多孔碳、石墨烯量子点等，经掺杂后发生分子内部电荷转移，是设计高催化活性和稳定性的非金属、碳基催化剂的有效途径。目前研究也表明氮掺杂石墨炔锚定的单原子铁催化剂对ORR的催化活性不弱于商业化Pt/C催化剂。相比于氮掺杂石墨炔锚定的单原子铁催化剂，NGDQDs由于具有较高的比表面积因此可以提供丰富的活性位点，同时氮元素的掺杂可以改变催化剂的电子性能进而有利于提高对氧气的吸附能力，因此有望成为一种新型高效的ORR电催化剂。但是目前NGDQDs电催化剂的合成步骤比较复杂，因此，发展一种制备工艺简单、制作成本低且易于工业化生产的NGDQDs电催化剂的方法对于提高ORR催化活性和促进燃料电池的商业化发展具有重要意义。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种碱性条件下对ORR具有高催化活性及稳定性的氮掺杂电催化剂的制备方法，该催化剂是一种氮掺杂石墨炔量子点(NGDQDs)电催化剂，其制备方法主要涉及水热法，该方法制备工艺简单、成本低适于扩大化生产。

本发明还提供了所述制备方法所制备的氮掺杂电催化剂及其应用。

技术方案：为了实现上述目的，本发明所述一种氮掺杂的电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将GDY(石墨炔)水溶液进行超声处理，获得小尺寸的GDY溶液；

(2)将步骤(1)得到GDY溶液与含氮小分子溶液混合超声，并水热反应；

(3)将水热反应后的溶液透析，冷冻干燥即可得到氮掺杂电催化剂。其中，步骤(1)中所述GDY水溶液中GDY浓度为0.25-0.5mg/mL。

作为优选，步骤(1)中所述超声时间为3-4h，超声功率为400-600W。通过超声将石墨炔小尺寸化，以利于后面处理得到尺寸均一的量子点，缩短后期超声混合的时间以及降低水热处理的温度和时间。

其中，步骤(2)中所述GDY溶液与含氮小分子溶液的体积比为1:1-2:1。作为优选，所述GDY溶液与含氮小分子溶液的按体积比2:1进行混合超声；

其中，步骤(3)中所述含氮小分子溶液为氨水、尿素溶液或者乙二胺溶液。所述氨水质量分数为28-30％、乙二胺溶液质量分数98％，尿素溶液浓度为1-2mg/mL。

其中，步骤(3)中所述混合超声时间为0.5-1h，超声功率为400-500W，水热的温度为180-200℃，时间为6-8h。

作为优选，水热的温度为180℃，时间为8h。

其中，步骤(3)中透析袋的截留分子量为500Da，透析3-5天。