一种氮、磷、钨配位共掺杂碳催化剂的制备方法及其应用

本发明属于阴极氧还原催化剂材料制备，特别设计一种氮、磷、钨配位共掺杂碳催化剂的简便制备方法及应用。

背景技术：

1、过氧化氢(h2o2)在日常生活中通常被称作双氧水，是一种十分重要的基础化学品。广泛应用于化工和医疗等领域，常被用作漂白剂、氧化剂和消毒剂。由于h2o2分解后只生成氧气和水，因此其也被成为绿色氧化剂。随着人们生产生活过程中环保意识的提升，h2o2的市场需求逐渐扩大。目前，工业上生产h2o2的传统方法是的醌蒽法、异丙醇法和过硫酸铵法，这些方法在应用过程中均存在成本高、能耗大、副产物多等缺点，不符合当前绿色发展的理念。另一种方法是氢氧化合法，即氢气和氧气在一定温度、压力和催化剂存在的条件下直接生成h2o2，虽然该方法较传统方法比较符合绿色环保的理念，但其生产过程直接使用h2作为原料，存在爆炸的风险，所以该方法的实际应用受到限制。当前，发展前景较为广泛的是电化学方法合成h2o2，在电化学体系中，h2o2可以通过阴极发生的2电子氧还原反应(2e-orr)生成。

2、orr是电池电极反应的重要组成部分，有两种反应路径。在碱性条件下，一种情况是通过4e-反应生成oh-，另一种是通过2e-反应生成ho2-。从热力学角度分析这两种不同的反应路径存在竞争关系，所以开发选择性高的促进2e-orr的催化剂十分重要。当前，贵金属pt被公认是催化orr的最佳催化剂，但其存在很大的局限性。首先是贵金属在地球上的储量稀缺，其次是其昂贵的价格导致催化剂的成本较高，再者是pt基催化剂容易发生一氧化碳中毒且其耐甲醇的能力差。所以之后的研究主要集中在减少贵金属在催化剂中的用量即用其它金属代替贵金属或制备非金属催化剂。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决2e-orr过程中反应过慢和所用催化剂成本过高等问题。我们发明了一种新型的过渡金属掺杂的催化剂，该催化剂的结构中存在形似松针状的结构，有利于增大反应物的接触面积。电化学结果显示其对2e-orr的催化过程表现出较高的起始电位和持续的稳定性。

2、为了解决上述技术问题，本发明设计的技术方案如下：

3、本发明是一种适用于催化2e-orr过程的一种过渡金属和杂原子共掺杂的催化剂材料。

4、本发明是一种适用于催化2e-orr过程的一种过渡金属和杂原子共掺杂的催化剂材料的制备方法，具体步骤如下：

5、(1)将0.1m的乙烯基咪唑和0.1m的磷钨酸(h3pw12o40，hpw)在超纯水中持续搅拌至混合均匀，该步骤将成功制备两者的离子液体。

6、(2)将科琴黑(ketjenblack，kb)和先前制备的离子液体在超纯水中混合，持续搅拌5h后，在60℃干燥箱中使之完全干燥即为催化剂的前驱体。

7、(3)将前驱体在氮气气氛下高温管式炉中煅烧，具体程序为将氮气气氛的气体流量设置为40ml min-1，先在室温下通20分钟后，用60分钟升温到100℃，在100℃下保温一小时，然后以5℃min-1的升温速率升温到900℃，在900℃下保温1h，自然冷却后得到的黑色粉末即为催化剂样品。

8、与现有的催化剂制备技术相比，本发明的有益效果是：

9、本发明制备的催化剂材料具有松针状结构，这种结构可以有效增大反应有效活性面积，杂原子掺杂也会增加活性位点的个数，从而提升催化性能。并且该催化剂的制造成本价格低廉，合成过程简单且可重复性高，催化剂的稳定性好，可以达到大范围应用的要求。

技术特征：

1.一种用于2电子orr过程的催化剂材料，其特征在于，分子组成中含c、n、p、w四种元素。

2.根据权利要求1所述的催化剂材料，其特征在于，所述材料分子结构中含有松针状和点状结构。

3.权利要求1所述的催化剂材料的制备方法，所述方法具体步骤如下：

4.根据权利要求3所述的催化剂材料的制备方法，其特征在于，磷钨酸为p源和w源，乙烯基咪唑为c源和n源，科琴黑为碳载体。

技术总结本发明是一种以简便方法制备的N、P、W配位共掺杂碳材料，用于催化2电子ORR过程，属于阴极ORR催化剂材料制备技术领域。该催化剂具有松针状和点状结构，与目前报道的催化剂材料相比，该材料在碱性电解液中具有更高的起始电位和较高的稳定性，且对H<subgt;2</subgt;O<subgt;2</subgt;表现出较高的选择性。该催化剂制备方法简单，产量高，成本低廉，制备工艺可重复性高，可以实现大规模的生产利用，是一种有前景的催化剂材料。技术研发人员：高建,王欣瑶,孟令欣受保护的技术使用者：天津工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/30