[發明專利]一種鐵、鈷、氮共摻雜炭催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201710374098.0
• 申請日: 2017-05-24
• 公開（公告）號: CN107086313B
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發明（設計）人: 竇美玲;胡朝文;王峰;郭志遠;宋夜;吉靜
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 11294 北京五月天專利商標代理有限公司
• 代理人: 王天桂<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發明涉及一種鐵、鈷、氮共摻雜炭催化劑及其制備方法和應用，采用鐵/鈷雙金屬沸石咪唑酯骨架材料作為前驅體，通過高溫熱解制備得到鐵、鈷、氮共摻雜炭催化劑；其中，鐵/鈷雙金屬沸石咪唑酯骨架材料是在無氧環境下采用硫酸亞鐵、硝酸鈷和2?甲基咪唑在溶劑中進行自組裝反應制得。本發明制備的鐵、鈷、氮共摻雜炭催化劑具有優于商業化Pt/C的氧氣還原催化活性、電化學穩定性以及抗甲醇中毒能力，同時具有成本低廉、制備方法簡單且可實現批量生產等優點。本發明涉及的催化劑可廣泛應用于燃料電池、金屬?空氣電池等領域。

技術領域

本發明涉及一種鐵、鈷、氮共摻雜炭催化劑及其制備方法和在燃料電池、金屬-空氣電池中的應用。

背景技術

燃料電池、金屬-空氣電池的陰極反應為氧氣還原反應，該反應能壘高、動力學過程緩慢，需使用高效催化劑降低反應能壘，以加快反應速率。目前，用于氧氣還原反應的商業化催化劑為碳載貴金屬鉑催化劑（Pt/C），該催化劑具有高效的氧氣還原催化性能。然而，貴金屬Pt成本高昂，儲量稀少且抗甲醇中毒能力差，嚴重限制了其大規模應用。因此，研究開發低成本、高活性和高穩定性的非貴金屬氧氣還原催化劑具有重要意義。

目前，過渡金屬、氮共摻雜炭（TM-N-C， TM一般為Fe、Co）催化劑是最有希望替代商業化Pt/C的一類非貴金屬氧氣還原催化劑，其具有制備方法簡單、前驅體來源廣泛、成本低廉、且催化活性和電化學穩定性優良等優點。該類催化劑公認的催化活性位點是嵌入碳網絡中的過渡金屬-氮配位結構（TM-N_x），其本征催化活性弱于Pt，催化轉化頻率（TOF）較低，催化性能與Pt/C催化劑有一定差距。

研究表明，通過優化該類催化劑中催化活性位點的組成，提高活性位點的分散和數量，同時調控催化劑的孔道結構和比表面積，可有效提高氧氣還原催化活性。類沸石咪唑酯骨架材料（ZIFs）是過渡金屬離子與咪唑配體配位形成的三維、有序、多孔晶體，其過渡金屬-氮配位結構密度高、比表面積大且孔結構可調，是制備高活性位點密度、高比表面積和優良孔道結構的TM-N-C催化劑的理想前驅體。以單金屬ZIFs（如ZIF-67）為前驅體熱解制備的TM-N-C催化劑，析出的金屬納米顆粒團聚現象嚴重，導致活性位點分散不均勻，氧氣還原催化活性下降。此外，單金屬ZIFs熱解制備的TM-N-C催化劑活性位點較單一（一般為Co-N_x），在堿性尤其酸性電解質催化劑的催化性能也不盡理想。

發明內容

為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種鐵、鈷、氮共摻雜炭催化劑及其制備方法和應用，該制備方法簡單高效、可控，成本低廉，可實現批量化生產。

本發明采用如下技術方案，一種鐵、鈷、氮共摻雜炭催化劑的制備方法，采用鐵/鈷雙金屬沸石咪唑酯骨架材料作為前驅體，通過高溫熱解制備得到鐵、鈷、氮共摻雜炭催化劑；其中，鐵/鈷雙金屬沸石咪唑酯骨架材料是在無氧環境下采用硫酸亞鐵、硝酸鈷和2-甲基咪唑在溶劑中進行自組裝反應制得。本發明設計合成雙金屬ZIFs（特別是雙金屬Fe,Co-ZIF）前驅體進行高溫熱解，利用其中不同金屬原子間的間隔作用提高金屬納米顆粒的分散，制得活性位點分散均勻且組成多元化的TM-N-C催化劑，是進一步提升氧氣還原催化性能的有效方法。