一種氧還原催化劑及其制備方法和應用技術

本發明專利技術提供了一種氧還原催化劑的制備方法，將碳載體、尿素、葡萄糖、硝酸銀和水混合，得到反應分散液；將得到的反應分散液進行水熱還原反應；將得到的水熱還原物料進行固液分離；在保護氣氛中，將得到的固體產物進行煅燒，得到氧還原催化劑。本發明專利技術用尿素做堿源，葡萄糖做還原劑，采用水熱還原法還原硝酸銀得到銀單質，制備方法操作簡單，環境友好。采用本發明專利技術提供的方法制備得到的氧還原催化劑對氧還原反應具有較好的催化活性和穩定性，應用到金屬?空氣電池中做空氣電極催化劑，氧還原反應催化性能可與JM?20％Pt/C相媲美。

Oxygen reducing catalyst, preparation method and application thereof

The present invention provides a method for preparing oxygen reduction catalyst, carbon carriers, urea, glucose, nitrate and mixed silver water, reaction dispersion; the reaction dispersion reduction reaction of the hot water; hydrothermal reduction material obtained by the solid-liquid separation; in a protective atmosphere, solid the product obtained by calcination by oxygen reduction catalyst. The invention uses urea as an alkali source and glucose as a reducing agent, and silver nitrate is reduced by the hydrothermal reduction method, and the preparation method is simple, and the environment is friendly. The invention provides the method for preparing the oxygen reduction catalyst has good catalytic activity and stability of the oxygen reduction reaction, applied to metal air battery air electrode catalyst, oxygen reduction catalytic performance comparable to JM 20%Pt/C.

【技術實現步驟摘要】
一種氧還原催化劑及其制備方法和應用
本專利技術涉及催化材料領域，特別涉及一種氧還原催化劑及其制備方法和應用。
技術介紹
金屬-空氣電池尤其是鋁-空氣電池，將是最有前途的能量轉換與儲存技術手段。鋁-空氣電池有不少優點，如價格低、環境友好、運行溫度低(常溫)，實際能量密度高達600wh·kg-1。但是，鋁-空氣電池的空氣電極在常溫下的反應速度非常慢，需要催化劑來催化提速。目前最好的催化劑是商業鉑碳，常見的是JM20％Pt/C，但鉑是一種稀有金屬，價格非常昂貴，很難大規模地商業應用。近些年來，由于銀金屬價格遠低于鉑金屬，對氧還原反應(ORR)具有較高的催化活性，因此，越來越多的研究重點被放在銀基催化劑上。目前銀基催化劑的研制主要集中在如下兩點：(1)將銀與非鉑金屬復合，如將銀與鈀、銅等復合，附載在碳載體上；(2)將銀附載在碳載體上。在這些研究中，均涉及到將硝酸銀(或其它銀鹽)還原成銀單質并附載在碳載體上的步驟，但是采用的方法操作復雜、試劑毒性大，尤其是制備得到的銀基催化劑的氧還原反應催化性能不能滿足實際要求。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種氧還原催化劑及其制備方法和應用，本專利技術提供的制備方法操作簡單，環境友好；制備得到的氧還原催化劑對氧還原反應具有較好的催化活性，應用到金屬-空氣電池中做空氣電極催化劑，氧還原反應催化性能可與JM20％Pt/C相媲美。本專利技術提供了一種氧還原催化劑的制備方法，包括以下步驟：(1)將碳載體、尿素、葡萄糖、硝酸銀和水混合，得到反應分散液；(2)將所述步驟(1)得到的反應分散液進行水熱還原反應，得到水熱還原物料；(3)將所述步驟(2)得到的水熱還原物料進行固液分離，得到固體產物；(4)在保護氣氛中，將所述步驟(3)得到的固體產物進行煅燒，得到氧還原催化劑。優選的，所述步驟(1)中碳載體包括炭黑、活性炭、石墨烯或碳納米管。優選的，所述步驟(1)中尿素、葡萄糖和硝酸銀的摩爾比為(14～18)：(3～6)：1。優選的，所述步驟(1)中硝酸銀與碳載體的質量比為(0.8～0.9)：1。優選的，所述步驟(2)中水熱還原反應的溫度為110～130℃；所述水熱還原反應的時間為7～10h。優選的，所述步驟(4)中煅燒的溫度為600～700℃；所述煅燒的時間為50～70min。優選的，升溫至所述煅燒的溫度的升溫速率為4～6℃/min。本專利技術提供了上述技術方案所述制備方法制備得到的氧還原催化劑，包括碳載體和附載在所述碳載體上的銀粒子，其中，銀粒子占所述氧還原催化劑的30wt％～40wt％。優選的，所述氧還原催化劑的粒度為30～70nm。本專利技術提供了上述技術方案所述氧還原催化劑在金屬-空氣電池中的應用。本專利技術提供了一種氧還原催化劑的制備方法，將碳載體、尿素、葡萄糖、硝酸銀和水混合，得到反應分散液；將得到的反應分散液進行水熱還原反應；將得到的水熱還原物料進行固液分離；在保護氣氛中，將得到的固體產物進行煅燒，得到氧還原催化劑。本專利技術以尿素為堿源，葡萄糖為還原劑，硝酸銀為銀源，水為反應介質，采用水熱還原法還原硝酸銀得到銀單質，制備方法及試劑簡單，環境友好。采用本專利技術提供的方法制備得到的氧還原催化劑對氧還原反應具有較好的催化活性和穩定性，應用到金屬-空氣電池中做空氣電極催化劑，氧還原反應催化性能可與JM20％Pt/C相媲美。附圖說明圖1為本專利技術實施例5制備的氧還原催化劑的熱重曲線；圖2為本專利技術實施例5制備的氧還原催化劑5萬倍下的掃描電子顯微鏡圖；圖3為本專利技術實施例5制備的氧還原催化劑20萬倍下的掃描電子顯微鏡圖；圖4為本專利技術實施例5制備的氧還原催化劑20萬倍下的透射電子顯微鏡圖；圖5為本專利技術實施例3～5制備的氧還原催化劑和JM20％Pt/C的線性掃描伏安曲線；圖6為本專利技術實施例5制備的氧還原催化劑在2000循環實驗前后的線性掃描伏安曲線；圖7為JM20％Pt/C在2000循環實驗前后的線性掃描伏安曲線。具體實施方式本專利技術提供了一種氧還原催化劑的制備方法，包括以下步驟：(1)將碳載體、尿素、葡萄糖、硝酸銀和水混合，得到反應分散液；(2)將所述步驟(1)得到的反應分散液進行水熱還原反應，得到水熱還原物料；(3)將所述步驟(2)得到的水熱還原物料進行固液分離，得到固體產物；(4)在保護氣氛中，將所述步驟(3)得到的固體產物進行煅燒，得到氧還原催化劑。本專利技術將碳載體、尿素、葡萄糖、硝酸銀和水混合，得到反應分散液。本專利技術對于所述碳載體的種類沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的能夠作為氧還原催化劑的碳載體即可。在本專利技術中，所述碳載體優選包括炭黑、活性炭、石墨烯或碳納米管。本專利技術對于所述炭黑的種類沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的能夠作為氧還原催化劑載體的炭黑即可，具體如乙炔黑、卡博特碳黑(CABOT)或科琴黑。本專利技術對于所述碳載體的來源沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的碳載體的市售商品即可。本專利技術以尿素為堿源，葡萄糖為還原劑，硝酸銀為銀源，水為反應介質，試劑簡單，且環境友好。在本專利技術中，所述尿素、葡萄糖和硝酸銀的摩爾比優選為(14～18)：(3～6)：1，更優選為(15～17)：(3.5～5.5)：1，最優選為(15.5～16.5)：(4～5)：1。在本專利技術中，所述硝酸銀與碳載體的質量比優選為(0.8～0.9)：1，更優選為(0.83～0.87)：1，最優選為0.85：1。本專利技術采用葡萄糖為還原劑，與傳統還原劑如水合肼(H2N-NH2·H2O)、硼氫化鈉(NaBH4)相比，不會對環境和人身健康產生不良影響，環境友好；采用尿素為堿源，能夠保證通過后續水熱還原反應將納米級顆粒的銀粒子附載在碳載體上，有利于提高氧還原催化劑的催化性能。本專利技術對于所述水沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的水即可。本專利技術優選采用分子水，更優選為Ⅰ級分子水。本專利技術對于水的添加量沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的能夠將各反應原料進行溶解或分散，且保證得到的反應分散液能夠順利進行后續水熱還原反應的添加量即可。在本專利技術中，所述反應分散液中硝酸銀的濃度優選為13～16mmol/L，更優選為13.5～15.5mmol/L，最優選為14～15mmol/L。本專利技術對于碳載體、尿素、葡萄糖、硝酸銀和水的投料順序沒有特殊的限定，采用任意投料順序均可。本專利技術優選先將尿素、葡萄糖、硝酸銀和水進行初混合，然后與碳載體進行再混合，得到反應分散液。本專利技術對于所述初混合和再混合的方式沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的物料混合的技術方案即可。本專利技術優選在攪拌條件下進行所述初混合和再混合，更優選為磁力攪拌。在本專利技術中，進行所述初混合和再混合時攪拌的速率獨立優選為400～600rpm，更優選為450～550rpm，最優選為500rpm；進行所述初混合和再混合時攪拌的時間獨立優選為20～40min，更優選為25～35min，最優選為30min。得到反應分散液后，本專利技術將所述反應分散液進行水熱還原反應，得到水熱還原物料。在本專利技術中，所述水熱還原反應的溫度優選為110～130℃，更優選為115～125℃，最優選為120℃；所述水熱還原反應的時間優選為7～10h，更優選為7.5～8.5h，最優選為8h。本專利技術對于進行所述水熱還原反應時所采用的反應器沒有特本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種氧還原催化劑的制備方法，包括以下步驟：(1)將碳載體、尿素、葡萄糖、硝酸銀和水混合，得到反應分散液；(2)將所述步驟(1)得到的反應分散液進行水熱還原反應，得到水熱還原物料；(3)將所述步驟(2)得到的水熱還原物料進行固液分離，得到固體產物；(4)在保護氣氛中，將所述步驟(3)得到的固體產物進行煅燒，得到氧還原催化劑。

【技術特征摘要】
1.一種氧還原催化劑的制備方法，包括以下步驟：(1)將碳載體、尿素、葡萄糖、硝酸銀和水混合，得到反應分散液；(2)將所述步驟(1)得到的反應分散液進行水熱還原反應，得到水熱還原物料；(3)將所述步驟(2)得到的水熱還原物料進行固液分離，得到固體產物；(4)在保護氣氛中，將所述步驟(3)得到的固體產物進行煅燒，得到氧還原催化劑。2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中碳載體包括炭黑、活性炭、石墨烯或碳納米管。3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中尿素、葡萄糖和硝酸銀的摩爾比為(14～18)：(3～6)：1。4.根據權利要求1～3任一項所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中硝酸銀與碳載體的質量比為(0.8～0.9)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李福枝，劉躍軍，唐有根，石璞，
申請(專利權)人：湖南工業大學，
類型：發明
國別省市：湖南,43