CN114883585A - 一种多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电化学能源技术领域，提供了一种多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂及其制备方法与应用，用二甲基咪唑做有机配体，用六水合硝酸钴做金属源，在室温下原位反应12～24h，最后经过碳化得到高导电性Co&NOC材料，即多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂。将该材料应用在燃料电池、金属电池和电解水能源器件上，展现了良好的电化学性能，优异的稳定性。本发明制备方法简单，很大程度上降低了催化剂的成本，可批量合成，有利于推广应用。
Description
技术领域
本发明属于电化学能源技术领域，尤其是涉及一种功能非贵金属氮掺杂碳催化剂及其制备方法与应用。
背景技术
对可再生能源和清洁能源的需求日益增长，促使全世界寻求环保、经济可持续和高效的能源技术。析氢反应(HER)是一个重要的制氢动力学过程，具有替代化石燃料的潜力。同样，高效的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)在可再生能源平台中至关重要，特别是对于燃料电池和可再充式电池，目前，开发一种实用、经济、高稳定性、高性能的电催化剂仍然是一项重要任务。铂及其衍生物是迄今为止ORR和HER最有效的电催化剂。然而，此类贵金属材料成本高，而且资源有限。无论面临何种挑战，开发高效、耐用的，多功能非贵金属电催化剂对于清洁能源装置的可持续大规模应用是迫在眉睫的。
最近的研究表明，过渡金属氧化物高催化活性有希望替代贵金属催化剂。然而，它们的结构不稳定，导电性差，降低了它们的催化活性和耐用性，这阻碍了可充电电池和水分解装置的商业化。过渡金属硒化物由于其众多的纳米多孔网络、巨大的导电性和优异的催化活性，最近被认为是储能和转换系统的新型催化剂，然而，硒化镍耐久性低，这限制了它的大规模使用。因此，探索简便、通用的方法来制造具有独特结构、高比表面积电催化特性的非贵金属材料迫切需要的。
发明内容
基于现有技术缺少具有独特结构、高比表面积电催化特性的非贵金属材料的现状，本发明提供一种多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂及其制备方法与应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明首先提供一种多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将二甲基咪唑溶于甲醇溶液得到A溶液，将六水合硝酸钴溶于甲醇溶液得到B溶液，在超声下，将A溶液缓慢注入到B溶液中，搅拌，得到混合溶液，将混合溶液密封好进行反应，得到的反应物离心后洗涤，得到的沉淀物进行干燥；
步骤S2：步骤S1中干燥后的产物在惰性气体氛围中高温碳化，得到碳化后物质，即多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂，记为Co&NOC。
在本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法中，还可以进一步采用以下方案：其中，所述六水合硝酸钴溶于甲醇溶液得到的B溶液中，六水合硝酸钴的浓度为1g～3g/80mL；所述二甲基咪唑溶于甲醇溶液得到的A溶液中，所述二甲基咪唑的浓度为2.5g/50mL。
在本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法中，还可以进一步采用以下方案：其中，A溶液注入到B溶液中的体积比例关系为：50mLA溶液：80mL B溶液。
在本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法中，还可以进一步采用以下方案：将A溶液注入到B溶液中，25min滴完A溶液，平均每分钟滴2mL。
将A溶液注入到B溶液的过程一定要缓慢，将A溶液注入到B溶液的速度影响反应物颗粒的大小，注入速度越快，反应物颗粒越大，颗粒大材料则比表面积降低，进而减少了活性位点数量。因此，将A溶液注入到B溶液的过程越慢越好。
在本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法中，还可以进一步采用以下方案：其中，步骤S1中，搅拌的条件为：在室温下搅拌30min。
在本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法中，还可以进一步采用以下方案：其中，步骤S1中，反应温度为25℃，反应时间为12～24h。
在本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法中，还可以进一步采用以下方案：其中，步骤S1中，所述洗涤需要用到的溶液为甲醇、乙醇中的一种或几种，用醇进行洗涤的作用是：洗掉未反应的有机物。
在本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法中，还可以进一步采用以下方案：其中，步骤S1中，干燥的条件为进行真空干燥或冷冻干燥，真空干燥的温度为60℃～80℃，干燥时间为12h～24h；冷冻干燥的温度为-47℃或以下，干燥时间为12h～24h。
在本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法中，还可以进一步采用以下方案：其中，步骤S2中，所述惰性气体为氮气或者氩气其中的一种。
在本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法中，还可以进一步采用以下方案：其中，步骤S2中，高温碳化的条件为：碳化温度750℃～900℃，碳化时间为1h～4h。
在本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法中，还可以进一步采用以下方案：其中，步骤S2中，将所述碳化后物质还进行研磨处理，所述研磨处理的方式可以为用研钵进行充分研磨。
本发明还提供基于上述制备方法制备得到的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂，所述多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂为一种导电性催化剂。
本发明还提供基于上述制备方法制备得到的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂在燃料电池中的应用。
在本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的应用中，还可以进一步采用以下方案：其中，所述多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂作为燃料电池阴极催化剂。
在本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的应用中，还可以进一步采用以下方案：其中，应用步骤如下：
以质量比全氟磺酸：分散溶剂＝1：30的比例，用全氟磺酸与分散溶剂配制分散剂，然后取该分散剂与多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂混合，超声混合分散在铂碳电极上。
在本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的应用中，还可以进一步采用以下方案：其中，分散剂与多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的用量关系为1mL：2mg。
在本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的应用中，还可以进一步采用以下方案：其中，分散剂为异丙醇或乙醇。
本发明提供的催化剂制备方法简单，制备条件温和(室温合成)，制备得到的催化剂具有多功能应用的优势，良好的稳定性和优异的抗甲醇性能，本发明提供的方案不仅为开发具有多功能应用和非贵金属氮掺杂的先进碳材料提供了一种通用的策略，而且为设计和开发各种能量相关电催化反应的非贵金属氮掺杂碳催化剂提供了有用的指导。
与现有技术相比，本发明的技术效果主要体现在以下方面：
本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂，用二甲基咪唑做有机配体，用六水合硝酸钴做金属源，室温下原位聚合法合成多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂Co&NOC材料，采用合适的原料用量以及反应条件，使制备的多功能非贵金属氮掺杂碳Co&NOC催化剂具有丰富的微介孔。
此外，氮掺杂碳材料可以实现更高的导电性已得到证实，从而限制电阻损耗，并在电催化过程中增强电催化活性。材料设计的重点是优化碳载体的电子结构，氮的碳掺杂增强了电荷转移和提高了表面润湿性进而提高催化性能。
将本发明制备好的非贵金属氮掺杂碳催化剂分别应用在燃料电池、金属空气电池以及电解水装置上，制得多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂具有良好电化学性能，经电化学测试，该电极在0.1M KOH溶液中的氧还原(ORR)半坡点位为0.83V，析氧反应(OER)△E对应的电压电位为0.89V，析氢反应(HER)电流密度10对应的电压电位为0.35V。在碱性溶液中的稳定性要比商业铂碳高，因该催化剂不含任何贵金属，在保证高活性给稳定性的同时极大程度的降低了燃料电池阴极催化剂的成本。
因此，本发明提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂，制备方法简单，成本低，高稳定性，可大批量合成，有利于推广使用。
附图说明
图1是本发明制备催化剂的工艺示意图；
图2是本发明的实施例1、实施例2和实施例3中制备的催化剂的电化学线性扫描图扫描电镜图；
图3是本发明的实施例1、实施例2中的催化剂在0.1M HClO4溶液中的电化学线性扫描图；
图4是本发明的实施例2、实施例3、实施例4、实施例5中的催化剂在0.1M KOH溶液中的电化学线性扫描图；
图5是本发明的实施例2、实施例3、实施例4、实施例5在0.1M KOH溶液中的电化学线性扫描图；
图6是本发明的实施例2、实施例3、实施例4在0.1M KOH溶液中的电化学线性扫描图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明一种多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂制备及应用作具体阐述。
如无特别说明，本发明中所采用的原料均可从市场上购得或是本领域常用的，如无特别说明，下述实施例中的方法均为本领域的常规方法。
实施例1
本实施例中，氮源为二甲基咪唑，金属源为六水合硝酸钴，得到的非贵金属氮掺杂碳纳米材料为Co&NOC。制备工艺参考图1。
将二甲基咪唑2.5g溶于50mL甲醇溶液(A溶液)，六水合硝酸钴1.0溶于80mL甲醇溶液(B溶液)，在超声下，将A溶液缓慢注入到B溶液中，25min滴完A溶液，平均每分钟滴2mL。在室温下搅拌30min后，将上述混合溶液密封好在室温下进行反应，反应时间为12h,得到的反应物用甲醇或乙醇离心洗涤，直至上清液透明，得到的沉淀物进行冷冻干燥12h；干燥后的产物在氮气气氛中750℃碳化，得到碳化后物质，将所述碳化后物质用研钵进行充分研磨，研磨后得到导电性催化剂(Co&NOC-750)。
实施例2
本实施例中，氮源为二甲基咪唑，金属源为六水合硝酸钴，得到的非贵金属氮掺杂碳纳米材料为Co&NOC。
将二甲基咪唑2.5g溶于50mL甲醇溶液(A溶液)，六水合硝酸钴1.0g溶于80mL甲醇溶液(B溶液)，在超声下，将A溶液缓慢注入到B溶液中，5min滴完A溶液，平均每分钟滴2mL。在室温下搅拌30min后，将上述混合溶液密封好在室温下进行反应，反应时间为12h,得到的反应物用甲醇离心洗涤，直至上清液透明，得到的沉淀物进行冷冻干燥12h；干燥后的产物在氮气气氛中750℃碳化，碳化后物质用氢氟酸溶液进行浸泡4h(目的：除去多余的金属离子)，酸浸泡后的材料用去离子水离心洗涤，洗涤后的材料进行冷冻干燥12h,得到干燥后物质用研钵进行充分研磨，研磨后得到导电性催化剂(Co&NOC-750)。
实施例3
本实施例中，氮源为二甲基咪唑，金属源为六水合硝酸钴，得到的非贵金属氮掺杂碳纳米材料为Co&NOC。
将二甲基咪唑2.5g溶于50mL甲醇溶液(A溶液)，六水合硝酸钴1.0g溶于80mL甲醇溶液(B溶液)，在超声下，将A溶液缓慢注入到B溶液中，在室温下搅拌30min后，将上述混合溶液密封好在室温下进行反应，反应时间为12h,得到的反应物用甲醇离心洗涤，直至上清液透明，得到的沉淀物进行冷冻干燥12h；干燥后的产物在氮气气氛中800℃碳化，碳化后物质用氢氟酸溶液进行浸泡4h(目的：除去多余的金属离子)，酸浸泡后的材料用去离子水离心洗涤，洗涤后的材料进行冷冻干燥12h,得到干燥后物质用研钵进行充分研磨，研磨后得到导电性催化剂(Co&NOC-800)。
实施例4
本实施例中，氮源为二甲基咪唑，金属源为六水合硝酸钴，得到的非贵金属氮掺杂碳纳米材料为Co&NOC。
将二甲基咪唑2.5g溶于50mL甲醇溶液(A溶液)，六水合硝酸钴1.0g溶于80mL甲醇溶液(B溶液)，在超声下，将A溶液缓慢注入到B溶液中，在室温下搅拌30min后，将上述混合溶液密封好在室温下进行反应，反应时间为12h,得到的反应物用甲醇离心洗涤，直至上清液透明，得到的沉淀物进行冷冻干燥12h；干燥后的产物在氮气气氛中850℃碳化，碳化后物质用氢氟酸溶液进行浸泡4h(目的：除去多余的金属离子)，酸浸泡后的材料用去离子水离心洗涤，洗涤后的材料进行冷冻干燥12h,得到干燥后物质用研钵进行充分研磨，研磨后得到导电性催化剂(Co&NOC-850)。
实施例5
本实施例中，氮源为二甲基咪唑，金属源为六水合硝酸钴，得到的非贵金属氮掺杂碳纳米材料为Co&NOC。
将二甲基咪唑2.5g溶于50mL甲醇溶液(A溶液)，六水合硝酸钴1.0g溶于80mL甲醇溶液(B溶液)，在超声下，将A溶液缓慢注入到B溶液中，在室温下搅拌30min后，将上述混合溶液密封好在室温下进行反应，反应时间为12h,得到的反应物用甲醇离心洗涤，直至上清液透明，得到的沉淀物进行冷冻干燥12h；干燥后的产物在氮气气氛中900℃碳化，碳化后物质用氢氟酸溶液进行浸泡4h(目的：除去多余的金属离子)，酸浸泡后的材料用去离子水离心洗涤，洗涤后的材料进行冷冻干燥12h,得到干燥后物质用研钵进行充分研磨，研磨后得到导电性催化剂(Co&NOC-900)。
测试例1
采用线性扫描电化学测试分别对实施例1得到的Co&NOC-750(乙醇洗涤或甲醇洗涤)催化剂进行扫描电镜测试，结果见图2。
图2是本发明的实施例1中制备的催化剂的扫描电镜图。其中，扫描尺寸都是5微米。
如图2所示，实施例1中用甲醇洗涤得到扫描电镜图为图2a,用乙醇洗涤得到扫描电镜图为图2b。图2a得到的材料更均一，颗粒度更小相对于图2b,材料均一、颗粒度小有利于材料更充分的和电解液接触，进而有利于电荷传输，较小的颗粒度也能使材料具有较大的比表面积，进而暴露更多的活性位点，提高电催化性能。结论：材料离心洗涤时，洗涤液对材料的均匀程度和颗粒度大小均有影响，本实验用甲醇洗涤效果更佳。
测试例2
采用线性扫描电化学测试分别对实施例1、2得到的Co&NOC-750(未酸洗)和Co&NOC-750(酸洗)催化剂在0.1M HClO4溶液中进行电化学测试，结果见图3。
图3是本发明的实施例1与实施例2中制备的催化剂的电化学线性扫描图。其中，横坐标为电压电位，单位：VRHE；纵坐标为电流密度。
如图3所示，实施例2中的催化剂标记为Co&NOC-750-酸洗，该催化剂的半坡电位为0.74V。实施例1中的催化剂标记为Co&NOC-750-未酸洗，该催化剂的半坡电位为0.63V。
表1为实施例1(Co&NOC-750-酸洗)催化剂和实施例2(Co&NOC-750-未酸洗)催化剂半坡电位对比：
表1实施例1与实施例2的电位对比表
| 材料名称 | E<sub>1/2</sub>(V) | 测试溶液 |
| Co&NOC-750-酸洗 | 0.74 | 0.1M HClO<sub>4</sub> |
| Co&NOC-750-未酸洗 | 0.63 | 0.1M KOH HClO<sub>4</sub> |
结论：由表1可以看出，Co&NOC-750-酸洗催化剂的半坡电位为0.74V,Co&NOC-750-未酸洗催化剂的半坡电位为0.63V。由此可以判定，酸洗对材料的电催化性能是有影响的，这是因为酸洗可以洗掉不稳定和未反应的金属离子，使材料暴露的有效活性位点更多，因此，酸洗这一步是很有必要的。
测试例3
采用线性扫描电化学测试分别对实施例2、3、4、5得到的Co&NOC催化剂在0.1M KOH溶液中进行电化学(氧还原)测试，结果见图4。
图4是本发明的实施例2、实施例3、实施例4与实施例5中制备的催化剂的电化学线性扫描图。其中，横坐标为电压电位，单位：VRHE；纵坐标为电流密度。
如图4所示，实施例2中的催化剂标记为Co&NOC-750，该催化剂的半坡电位为0.83V。实施例3中的催化剂标记为Co&NOC-800，该催化剂的半坡电位为0.81V。实施例4中的催化剂标记为Co&NOC-850，该催化剂的半坡电位为0.79V。
实施例5中的催化剂标记为Co&NOC-900，该催化剂的半坡电位为0.78V。
表2为实施例2(Co&NOC-750)催化剂、实施例3(Co&NOC-800)催化剂、实施例4(Co&NOC-850)催化剂和实施例5(Co&NOC-900)催化剂半坡电位的对比：
表2实施例2、3、4和实施例5的电位对比表
| 材料名称 | E<sub>1/2</sub>(V) | 测试溶液 |
| Co&NOC-750 | 0.83 | 0.1M KOH |
| Co&NOC-800 | 0.81 | 0.1M KOH |
| Co&NOC-850 | 0.79 | 0.1M KOH |
| Co&NOC-900 | 0.78 | 0.1M KOH |
结论：由表2可以看出，碳化温度为750℃的Co&NOC-750催化剂半坡电位为0.83V，碳化温度为800℃的Co&NOC-800催化剂半坡电位为0.81V，碳化温度为850℃的Co&NOC-850催化剂半坡电位为0.79V，碳化温度为900℃的Co&NOC-900催化剂半坡电位为0.78V。因此碳化温度为750℃的催化剂要比碳化温度为800℃、碳化温度为850℃和碳化温度为900℃的催化剂半坡电位更正，正0.05V。这是因为碳化温度越高导致材料的固有八面结构会塌陷，从而降低材料的比表面积暴露，暴露的活性位点越少。因此太高的碳化温度反而可能会使活性下降，750℃的碳化温度对于而不能材料最为合适，碳化温度低也有利于环保。
测试例4
采用线性扫描电化学测试分别对实施例2、3、4、5得到的Co&NOC催化剂在0.1M KOH溶液中进行电化学(氧还原和析氧)测试，结果见图5。
图5是本发明的实施例2、实施例3、实施例4与实施例5中制备的催化剂的电化学线性扫描图。其中，横坐标为电压电位，单位：VRHE；纵坐标为电流密度。
如图5所示，实施例2中的催化剂标记为Co&NOC-750，该催化剂的△E为0.89V。实施例3中的催化剂标记为Co&NOC-800，该催化剂的△E为0.96V。实施例4中的催化剂标记为Co&NOC-850，该催化剂的△E为0.93V。实施例5中的催化剂标记为Co&NOC-900，该催化剂的△E为1.0V。
表3为实施例2(Co&NOC-750)催化剂、实施例3(Co&NOC-800)催化剂、实施例4(Co&NOC-850)催化剂和实施例5(Co&NOC-900)催化剂半坡电位的对比：
表3实施例2、3、4和实施例5的电位对比表
| 材料名称 | △E(V) | 测试溶液 |
| Co&NOC-750 | 0.89 | 0.1M KOH |
| Co&NOC-800 | 0.96 | 0.1M KOH |
| Co&NOC-850 | 0.93 | 0.1M KOH |
| Co&NOC-900 | 1.0 | 0.1M KOH |
结论：由表3可以看出，碳化温度为750℃的Co&NOC-750催化剂△E为0.89V，碳化温度为800℃的Co&NOC-800催化剂△E为0.96V，碳化温度为850℃的Co&NOC-850催化剂△E为0.93V，碳化温度为900℃的Co&NOC-900催化剂△E为1.0V。众所周知，△E越小双功能性能越好，因此碳化温度为750℃的催化剂要比碳化温度为800℃、碳化温度为850℃和碳化温度为900℃的催化△E小，具有更好的双功能性能。
测试例5
采用线性扫描电化学测试分别对实施例2、3、4得到的Co&NOC催化剂在0.1M KOH溶液中进行电化学(析氢)测试，结果见图6。
图6是本发明的实施例2、实施例3与实施例4中制备的催化剂的电化学线性扫描图。其中，横坐标为电压电位，单位：VRHE；纵坐标为电流密度。
如图6所示，实施例2中的催化剂标记为Co&NOC-750，该催化剂电流密度10对应的电压电位为0.35V。实施例3中的催化剂标记为Co&NOC-800，该催化剂电流密度10对应的电压电位为0.38V。实施例4中的催化剂标记为Co&NOC-850，该催化剂电流密度10对应的电压电位为0.4V。
表4为实施例2(Co&NOC-750)催化剂、实施例3(Co&NOC-800)催化剂和实施例4(Co&NOC-850)催化剂的对比：
表4实施例2、3和实施例4的电位对比表
| 材料名称 | E<sub>J10</sub>(V) | 测试溶液 |
| Co&NOC-750 | 0.35 | 0.1M KOH |
| Co&NOC-800 | 0.38 | 0.1M KOH |
| Co&NOC-850 | 0.4 | 0.1M KOH |
结论：由表4可以看出，碳化温度为750℃的Co&NOC-750催化剂电流密度10对应的电压电位为0.35V，碳化温度为800℃的Co&NOC-800催化剂电流密度10对应的电压电位为0.38V，碳化温度为850℃的Co&NOC-850催化剂电流密度10对应的电压电位为0.4V。众所周知，电流密度10对应的电压电位越小，代表析氢性能越优异，因此碳化温度为750℃的催化剂要比碳化温度为800℃、碳化温度为850℃电流密度10对应的电压电位小，具有更好的析氢性能。
实施例的作用与效果
根据本发明的实施例提供的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备及应用，用二甲基咪唑2.5g溶于50mL甲醇溶液(A溶液)，六水合硝酸钴1.0g溶于80mL甲醇溶液(B溶液)，在超声下，将A溶液缓慢注入到B溶液中，在室温下搅拌30min后，将上述混合溶液密封好在室温下进行反应，反应时间为12h,得到的反应物用甲醇离心洗涤，直至上清液透明，得到的沉淀物进行冷冻干燥12h；干燥后的产物在氮气气氛中碳化，碳化后物质用氢氟酸溶液进行浸泡4h(目的：除去多余的金属离子)，酸浸泡后的材料用去离子水离心洗涤，洗涤后的材料进行冷冻干燥12h,得到干燥后物质用研钵进行充分研磨，研磨后得到非贵金属氮掺杂碳催化剂(Co&NOC)。当碳化温度为750℃时，并酸洗的条件下材料的多功能活性都达到最佳。
此外，碳载体的氮掺杂可以实现更高的导电性，从而限制电阻损耗，并在电催化过程中增强电催化活性，也可以优化碳载体的电子结构，增强电荷转移和表面润湿性进而提高催化性能。
将制备好的非贵金属氮掺杂碳催化剂分别应用在燃料电池、金属空气电池以及电解水装置上，制得多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂具有良好电化学性能，经电化学测试，该电极在0.1M KOH溶液中的氧还原(ORR)半坡点位为0.83V，析氧反应(OER)△E对应的电压电位为0.89V，析氢反应(HER)电流密度10对应的电压电位为0.35V。在碱性溶液中的稳定性要比商业铂碳高，因该催化剂不含任何贵金属，在保证高活性给稳定性的同时极大程度的降低了燃料电池阴极催化剂的成本。
因此，本发明提供的非贵金属氮掺杂碳催化剂，制备方法简单，成本低，高稳定性，可大批量合成，有利于推广使用。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将二甲基咪唑溶于甲醇溶液得到A溶液，将六水合硝酸钴溶于甲醇溶液得到B溶液，在超声下，将A溶液注入到B溶液中，搅拌，得到混合溶液，将混合溶液密封好进行反应，得到的反应物离心后洗涤，得到的沉淀物进行干燥；
步骤S2：步骤S1中干燥后的产物在惰性气体氛围中高温碳化，得到碳化后物质，即多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法，其特征在于，所述六水合硝酸钴溶于甲醇溶液得到的B溶液中，六水合硝酸钴的浓度为1g～3g/80mL；所述二甲基咪唑溶于甲醇溶液得到的A溶液中，所述二甲基咪唑的浓度为2.5g/50mL；
A溶液注入到B溶液中的体积比例关系为：50mLA溶液：80mL B溶液。
3.根据权利要求1所述的一种多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法，其特征在于，将A溶液注入到B溶液中，25min滴完A溶液，平均每分钟滴2mL。
4.根据权利要求1所述的一种多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中，反应温度为25℃，反应时间为12～24h。
5.根据权利要求1所述的一种多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中，干燥的条件为进行真空干燥或冷冻干燥，真空干燥的温度为60℃～80℃，干燥时间为12h～24h；冷冻干燥的温度为-47℃或以下，干燥时间为12h～24h。
6.根据权利要求1所述的一种多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S2中，高温碳化的条件为：碳化温度750℃～900℃，碳化时间为1h～4h。
7.权利要求1-6中任一项所述制备方法制备得到的多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂。
8.权利要求7所述多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂在燃料电池中的应用。
9.根据权利要求8所述多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂在燃料电池中的应用，其特征在于，所述多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂作为燃料电池阴极催化剂。
10.根据权利要求9所述多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂在燃料电池中的应用，其特征在于，应用步骤如下：
以质量比全氟磺酸：分散溶剂＝1：30的比例，用全氟磺酸与分散溶剂配制分散剂，然后取该分散剂与多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂混合，超声混合分散在铂碳电极上；
其中，分散剂与多功能非贵金属氮掺杂碳催化剂的用量关系为1mL：2mg。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220809 |
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