[發明專利]一種碳模板誘導Fe-N生長制備碳催化劑的方法及碳催化劑

有效

• 申請號: 201710852003.1
• 申請日: 2017-09-19
• 公開（公告）號: CN107681166B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 張世明;原鮮霞;馬紫峰
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 王小榮

本發明涉及一種碳模板誘導Fe?N生長制備碳催化劑的方法及碳催化劑，催化劑的制備方法包括以下步驟：1)將碳材料分散于溶劑A中，依次經濕法球磨、冷凍干燥后，得到碳模板；2)將Fe的化合物、N的化合物溶于溶劑B中，之后加入碳模板，混合均勻后干燥，得到催化劑前驅體；3)將催化劑前驅體在氣體氛圍中高溫熱解，即得到Fe、N共摻雜碳催化劑。與現有技術相比，本發明通過碳模板的引入，一方面，能夠抑制非活性或弱活性的金屬Fe顆粒、Fe的碳化物等物種的生成，促使金屬Fe顆粒、Fe的碳化物等物種向強活性Fe?N_x物種的轉化，誘導Fe?N_x等強活性位點的生長；另一方面，碳模板能夠與Fe?N_x等活性位點之間產生相互作用，調控其電子結構，促使其固有活性的增強。

技術領域

本發明屬于清潔能源技術領域，涉及一種碳模板誘導Fe-N生長制備碳催化劑的方法及碳催化劑。

背景技術

燃料電池、金屬-空氣電池等清潔能源技術已經受到了世界各國的廣泛關注，其中涉及到的氧還原反應是電化學反應過程的核心。目前，Pt及其合金催化劑仍是應用最為普遍的氧還原催化劑，但自然界中的Pt儲量稀少，無法滿足新能源領域未來的市場需求。因此，高性能的非貴金屬催化劑成為研究的方向之一。

大量的研究工作表明，Fe、N共摻雜的碳材料是一類具有極大潛力的非貴金屬催化劑，可用來替代Pt系催化劑。研究者們嘗試了各種方法提升Fe、N共摻雜碳催化劑的氧還原催化活性，包括改變Fe以及N前驅體的類型和添加量、優化材料合成條件、構造各種納米結構和復合材料、進行有效后處理等措施，并利用多種表征技術以期望闡釋催化劑活性與結構和組分之間的內在聯系，但目前此類催化劑的低活性問題仍未得到有效解決，限制了Fe、N共摻雜碳催化劑的進一步應用。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種碳模板誘導Fe-N生長制備碳催化劑的方法及碳催化劑。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種碳模板誘導Fe-N生長制備碳催化劑的方法，該方法包括以下步驟：

1)將碳材料分散于溶劑A中，依次經濕法球磨、冷凍干燥后，得到碳模板；

2)將Fe的化合物、N的化合物溶于溶劑B中，之后加入碳模板，混合均勻后干燥，得到催化劑前驅體；

3)將催化劑前驅體在氣體氛圍中高溫熱解，即得到Fe、N共摻雜碳催化劑。

進一步地，步驟1)中，所述的碳材料包括二維碳材料、一維碳材料或零維碳材料中的一種或更多種。通過濕法球磨、冷凍干燥，促進單一碳材料或復合碳材料的均勻分散。

作為優選的技術方案，所述的二維碳材料包括石墨烯、還原氧化石墨烯、氧化石墨烯或氧化石墨中的一種或更多種，所述的一維碳材料包括碳納米管、碳納米纖維或碳納米棒中的一種或更多種，所述的零維碳材料包括EC-600JD、EC-300J或XC-72中的一種或更多種。零維碳材料可選用各種市售的碳納米顆粒。

進一步地，步驟1)中，所述的溶劑A為水；步驟2)中，所述的溶劑B為水。

進一步地，步驟1)中，所述的溶劑A還包括乙醇；步驟2)中，所述的溶劑B還包括乙醇。通過在水中加入乙醇，以促進物質的溶解及分散。

進一步地，步驟1)中，所述的濕法球磨過程中，球磨時間為10-120min；所述的冷凍干燥過程中，冷凍干燥溫度為-60℃至0℃，冷凍干燥時間為2-48h。

進一步地，步驟2)中，所述的碳模板、Fe的化合物與N的化合物的質量比為1:0.1-1:10-100。

作為優選的技術方案，所述的Fe的化合物包括+3/+2價態鐵鹽、金屬有機物或氧化物中的一種或更多種。