一种电化学反应用催化性载体及其制备方法与流程

本发明涉及纳米载体材料改性剂电催化，特别是一种电化学反应用催化性载体及其制备方法。

背景技术：

1、电催化(如氧电化学还原反应、电解水析氧反应、电解水析氢反应)领域中，催化剂及其载体均要求在酸(碱)环境中具有良好的化学稳定性、电化学稳定性、机械稳定性和较高的电导性，近年来随着清洁能源市场越来越大，燃料电池等各种新能源技术的快速发展，对电化学反应用催化剂的载体又提出了更高的要求，例如，要求电极催化剂载体最好具备一定的催化活性，以及和主催化剂活性中心相互补充，协同作战，提高电极催化剂或其他电极材料的性能。通常情况下，常规纳米载体材料或者在电化学环境和酸(碱)性等条件下要么稳定(如al2o3)不够理想、或者导电性较差(如tio2、等金属氧化物)、或者不具备催化活性(如碳黑)，无法满足当前电催化载体的更高要求。

2、综上，目前的用于燃料电池、金属空气电池、电解池的电极催化剂载体，稳定性、电导性和催化活性难于同时满足载体要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术存在的目前的催化剂载体难于满足稳定性、电导性和催化活性要求的问题，提供一种催化性载体，该催化性载体以纳米载体材料为内核，以掺杂碳为壳，制备核壳结构的载体，提升了载体在酸碱及电化学环境中的稳定性、电导性和催化活性。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种催化性载体，所述催化性载体以纳米载体材料为核，以掺杂碳为壳；所述掺杂碳中包含有过渡金属、氮、硫、磷中的至少一种。所述催化性载体为核壳结构的催化性载体。

4、作为本发明的优选方案，所述纳米载体材料包括al2o3、碳、sio2、tio2、sno2、ato、sic、zro2中的一种；或者al2o3、碳、sio2、tio2、sno2、ato、sic、zro2中几种的混合物；或者al2o3、碳、sio2、tio2、sno2、ato、sic、zro2中的几种复合形成的复合纳米材料。

5、作为本发明的优选方案，所述过渡金属为fe、co、ni、cu中的至少一种。

6、作为本发明的优选方案，所述掺杂碳中，各元素摩尔比为，碳：过渡金属：氮：硫：磷＝100-30：0-20：0-30：0-10：0-10。过渡金属、氮、硫、磷的含量至少有一个不为0。

7、一种催化性载体的制备方法，包括如下步骤，

8、s1包覆，准备纳米载体材料包覆材料，所述包覆材料包括碳源，以及过渡金属源、氮源、硫源、磷源中的至少一种；将所述包覆材料包覆在纳米载体材料表面，得到复合材料；

9、s2热解，将所述复合材料加热使壳层碳化，得到所述催化性载体。

10、作为本发明的优选方案，所述包覆材料以络合、聚合或者吸附的方式包覆在所述纳米载体材料表面。

11、作为本发明的优选方案，所述碳源为含碳有机小分子、所述氮源为含氮有机小分子、所述硫源为含硫有机小分子、所述磷源为含磷有机小分子、所述过渡金属源为含有过渡金属的有机小分子或者过渡金属无机盐或者过渡金属有机盐。

12、作为本发明的优选方案，所述含有过渡金属的有机小分子包括酞菁铁、酞菁钴、铁卟啉、钴卟啉中的至少一种；所述过渡金属无机盐包括fecl3、cocl2、nicl2、cucl2、fe(no3)3、co(no3)2、ni(no3)2、cu(no3)2中的至少一种；所述过渡金属有机盐包括乙酰丙酮铁、醋酸亚铁、醋酸铁、二茂铁、乙酰丙酮钴、醋酸钴、乙酰丙酮镍、醋酸镍中的至少一种。

13、作为本发明的优选方案，所述含碳有机小分子或者所述含氮有机小分子包括苯胺、吡啶、吡咯、2，6-二氨基吡啶，多巴胺中的至少一种。

14、作为本发明的优选方案，步骤s2之前，对所述复合材料进行洗涤和干燥。

15、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

16、本发明的催化性载体以纳米载体材料为内核，以掺杂碳为壳，制备核壳结构的载体，提升了载体在酸碱及电化学环境中的稳定性、电导性和催化活性。化学稳定性接近石墨化碳、物理稳定性接近氧化物载体，导电性与石墨化碳同数量，并且具备了m-n-c催化活性。

17、本发明提供的一种将过渡金属氮掺杂碳紧密包覆在纳米载体材料表面制备上述催化性载体的方法。通过选择含有氮、碳、硫、磷的有机小分子作为原材料，通过络合或者聚合的方式包覆在纳米载体材料表面；过渡金属源采用过渡金属无机盐或者过渡金属有机盐，以络合的方式与氮源碳源的有机小分子发生络合反应。在氮、碳、硫或磷的有机小分子发生聚合反应后，形成大分子或者高分子化合物包覆在纳米载体材料表面，形成紧密的完整的包覆壳结构。必要时，采用多次包覆再碳化；或者重复包覆和碳化多次，以得到包覆紧密完整的壳结构。

技术特征：

1.一种催化性载体，其特征在于，所述催化性载体以纳米载体材料为核，以掺杂碳为壳；所述掺杂碳中包含有过渡金属、氮、硫、磷中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的催化性载体，其特征在于，所述纳米载体材料包括al2o3、碳、sio2、tio2、sno2、ato、sic、zro2中的一种，或者几种的混合物，或者几种复合形成的复合纳米材料。

3.根据权利要求1所述的催化性载体，其特征在于，所述过渡金属为fe、co、ni、cu中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的催化性载体，其特征在于，所述掺杂碳中，各元素摩尔比为，碳：过渡金属：氮：硫：磷=100-30：0-20：0-30：0-10：0-10。

5.一种如权利要求1-4任一所述的催化性载体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，

6.根据权利要求5所述的催化性载体的制备方法，其特征在于，所述包覆材料以络合、聚合或者吸附的方式包覆在所述纳米载体材料表面。

7.根据权利要求5所述的催化性载体的制备方法，其特征在于，所述碳源为含碳有机小分子；所述氮源为含氮有机小分子；所述硫源为含硫有机小分子；所述磷源为含磷有机小分子；所述过渡金属源为含有过渡金属的有机小分子或者过渡金属无机盐或者过渡金属有机盐。

8.根据权利要求7所述的催化性载体的制备方法，其特征在于，所述含有过渡金属的有机小分子包括酞菁铁、酞菁钴、铁卟啉、钴卟啉中的至少一种；

9.根据权利要求7所述的催化性载体的制备方法，其特征在于，所述含碳有机小分子或者所述含氮有机小分子包括苯胺、吡啶、吡咯、2，6-二氨基吡啶，多巴胺中的至少一种。

10.根据权利要求5所述的催化性载体的制备方法，其特征在于，步骤s2之前，对所述复合材料进行洗涤和干燥。

技术总结
本发明涉及纳米载体材料改性剂电催化技术领域，特别是一种电化学反应用催化性载体及其制备方法。所述催化性载体以纳米载体材料为核，以掺杂碳为壳；所述掺杂碳中包含有过渡金属、氮、硫、磷中的至少一种。掺杂碳为壳，制备核壳结构的载体，提升了载体在酸碱及电化学环境中的稳定性、电导性和催化活性。化学稳定性接近石墨化碳、物理稳定性接近氧化物载体，导电性与石墨化碳同数量级，并且具备了一定的氧还原电催化活性。

技术研发人员：杨惟翔,李强,潘光彩,唐琪雯,周卫江,陈启章
受保护的技术使用者：中自环保科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12