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需求背景

燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的装置。它具有能量转化效率高、环境友好、比功率与比能量高等突出特点，被认为是未来电动汽车及其它民用场合最有希望的化学电源。贵金属通常作为燃料电池阴极催化剂以催化氧还原反应，但其储量稀少、价格高昂、稳定性差及选择性低等缺点大大阻碍了燃料电池的规模化使用。因此，开发廉价的、可持续的、高性能的非贵金属氧还原催化剂对燃料电池的商业化进程具有非常重要的意义。

Co-N-C类催化剂具有高比表面积、独特的电子结构和性质、丰富的Co-N和C-N催化活性位点等优点，是一种应用前景广阔的氧还原催化剂。然而，目前大多数合成方法过程复杂，前驱体昂贵，不适合大规模生产，催化剂最终成本甚至比Pt基催化剂更高。花生是重要的经济农作物和油料作物。然而目前，花生壳除了极少部分被用作饲料加工外，大多数都被用作燃料或者直接作为废弃物而舍弃掉，造成极大的资源浪费，也影响了花生产业的可持续发展。据研究，花生壳富含的纤维素、半纤维素和木质素等天然成分具有丰富的含氧官能团，如羧基、酚基、醌基和酮基等。这些含氧基团与过渡金属离子具有较强的配位能力，如Co2+。专利CN 201711164119.2公开了一种基于改性花生壳的氧还原催化剂材料的制备方法，该方法制备的催化剂将Co(OH)2和NaH2PO2一起镶嵌在花生壳表面，在高温煅烧过程中巧妙地利用不同温度下不同气体释放原理有效地固定了多个活性位点，其比表面积为可达366m2g-1；专利CN 201510626107.1公开了一种利用花生壳制备脱硫催化剂的方法，该方法利用氢氧化钠浸泡花生壳，去除部分杂质，再加入松香酸钠、铬酸钠等对花生壳进行扩大孔隙，及初步改性，然后对其进行炭化，将炭化后的花生壳与高炉渣粉末、硫酸溶液、硝酸镍溶液等物质进行混合搅拌，深化改性，得到脱硫催化剂，主要是为了提高脱硫率；因此，利用花生壳内丰富的含氧官能团与Co离子配位制备具有高活性Co-N-C催化剂，不但可以大幅度降低成本，而且对于燃料电池的产业化具有重要意义。

需解决的主要技术难题

需解决的主要技术难题

1.现有的M-N-C材料中ORR的活性位点浓度仍有较大的提升空间，传统的块状M-N-C材料普遍存在传质效率低的问题，且制备流程较为繁琐，并不利于大规模工业化生产

2.热处理温度＞900℃时，大量的金属Co包裹在石墨碳中，已不存在CoNx结构，催化剂活性明显下降

3.催化乙苯直接氧气氧化存在原料转化率低、产物选择性不高以及催化剂无法实现循环等问题，同时也存在需要添加溶剂、相转移物质或者递氢体等物质，这些物质的加入，一方面增加了污染，另一方面，提高了生产的成本，降低了产品的附加值

期望实现的主要技术目标

期望实现的主要技术目标:

1.惰性气氛为氮气，氮气的通入速率为0.2～10L/min

2.要求催化剂合成过程简单、易控、安全，同时氰胺和钴盐的配位牢固，金属Co的成本相对低，合成催化剂的设备要求简便、易得

3.钴离子的浓度为0.06-0.1mol/L、2-甲基咪唑的浓度为0.3-0.4mol/L

4.需要催化剂在应用的过程中具有条件温和的优点，且循环性能优良，在石油化工等领域有广阔的应用前景

需求解析

解析单位：江苏省常州市 解析时间：2023-11-27

刘春林

常州大学

教授

综合评价

基于改性花生壳的氧还原催化剂材料的制备方法，该方法制备的催化剂将Co(OH)2和NaH2PO2一起镶嵌在花生壳表面，在高温煅烧过程中巧妙地利用不同温度下不同气体释放原理有效地固定了多个活性位点，其比表面积为可达366m2g-1；专利CN 201510626107.1公开了一种利用花生壳制备脱硫催化剂的方法，该方法利用氢氧化钠浸泡花生壳，去除部分杂质，再加入松香酸钠、铬酸钠等对花生壳进行扩大孔隙，及初步改性，然后对其进行炭化，将炭化后的花生壳与高炉渣粉末、硫酸溶液、硝酸镍溶液等物质进行混合搅拌，深化改性，得到脱硫催化剂，主要是为了提高脱硫率；因此，利用花生壳内丰富的含氧官能团与Co离子配位制备具有高活性Co-N-C催化剂，不但可以大幅度降低成本，而且对于燃料电池的产业化具有重要意义。

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