[發明專利]一種調節碳-氮基單原子鐵催化劑中的氮含量的方法

有效

• 申請號: 201710333136.8
• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN107180972B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 胡耀娟;蔡稱心;劉正;吳萍;高源
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種調節碳?氮基單原子鐵催化劑中的氮含量的方法，以不同種類的含N有機分子為C/N源，鐵鹽為Fe源，將所述含氮有機小分子和所述鐵鹽分散在有機溶劑中，攪拌使其反應，反應結束后除去溶劑后烘干，將得到的混合物在氮氣氣氛下進行高溫熱解(700?1000℃)；對得到的產物進行酸化、離心、洗滌、干燥等多步處理，再將產物二次高溫熱解，即得氮含量可調的碳?氮基單原子鐵催化劑。本發明提供了一種簡單有效的氮含量可調的碳?氮基單原子鐵催化劑制備方法，制備方法簡單、經濟，適合工業化大規模生產。

技術領域

本發明屬于材料化學和能源電池技術領域，更具體的，涉及了一種調節碳-氮基單原子鐵催化劑中的氮含量的方法。

背景技術

燃料電池是一種將物質中的化學能直接轉化為電能的裝置，陰極的氧還原過程是燃料電池重要的反應過程。由于陰極的氧還原過程會造成過高的過電位，從而降低了電池的性能。因此，為了提高電池的性能，科研工作者都在尋找和開發一種新型的燃料電池的陰極電極材料。

目前，Pt以及合金催化劑是氧還原反應(ORR)最好的催化劑之一，但是，制備成本過高、容易中毒失活、過電位較高及穩定性不佳等限制了這類催化劑的大規模使用。解決這些問題的一個有效途徑是設計和制備非鉑基催化劑(如過渡金屬氧化物、硫化物、碳化物催化劑，各種雜原子摻雜的碳材料催化劑等)，在眾多類型的非鉑基催化劑中，過渡金屬和氮摻雜的碳催化劑(記作TM-N-C催化劑)被認為是非常有應用前景的ORR催化劑。近年來，研究者們對非貴金屬單原子催化劑的催化位的結構和催化活性位點進行了仔細研究，研究發現催化劑中的氮能與過渡金屬原子配位形成TM-N結構，而這些TM-N結構是TM-N-C催化劑的催化活性位。金屬顆粒尺寸減小到原子尺寸時，其比表面積和表面能都將發生倍增，在制備和反應的過程中非常容易發生團聚形成大的團簇，從而導致催化劑活性降低。因此，碳基底物質中的N能夠固定和分散金屬原子形成TM-N結構，免于發生團聚等現象，對單原子催化劑起到至關重要的影響。因此，改變單原子催化劑中N的含量，將直接影響所制備的單原子催化劑的催化活性。

發明內容

本發明要解決的技術問題的是提供一種調節碳-氮基單原子鐵催化劑中的氮含量的方法，滿足不同反應中對不同催化活性的需要。

為解決上述技術問題，本發明采取的技術方案是：

一種調節碳-氮基單原子鐵催化劑中的氮含量的方法，包括以下步驟：

(1)選用不同的含氮有機小分子作為C/N源，鐵鹽為Fe源，將所述含氮有機小分子和所述鐵鹽分散在有機溶劑中，攪拌使其反應，反應結束后除去溶劑后烘干，得到混合物；

(2)將步驟(1)中得到的混合物在氮氣氣氛下進行第一次高溫熱解，得到黑色固體；

(3)將步驟(2)中得到的黑色固體進行酸化、離心、洗滌、干燥，得到固體；

(4)將步驟(3)中得到的固體產物進行第二次高溫熱解，即得碳-氮基單原子鐵催化劑；

當所述含氮有機小分子為甲基吡啶時，得到的碳-氮基單原子鐵催化劑的氮含量為0.5-0.7％；

當所述含氮有機小分子為2-苯并咪唑基乙腈時，得到的碳-氮基單原子鐵催化劑的氮含量為0.75-0.9％；

當所述含氮有機小分子為N-甲基咪唑時，得到的碳-氮基單原子鐵催化劑的氮含量為0.95-1.3％；

當所述含氮有機小分子為2-氨基嘧啶時，得到的碳-氮基單原子鐵催化劑的氮含量為1.4-1.6％。

步驟(1)中，所述鐵鹽選自六水合氯化鐵、九水合硝酸鐵或硫酸鐵等其他鐵鹽(III)中的一種或多種，優選為六水合氯化鐵；所述的含氮有機小分子與鐵鹽的摩爾比為13～2：1；所述有機溶劑選自乙醇、丙酮或氯仿中的一種或多種，所述鐵鹽在溶劑中的濃度為2-5mol/L，優選2-3mol/L。