[發明專利]一種單原子Fe-N-C氧還原催化劑及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 201710876315.6
• 申請日: 2017-09-25
• 公開（公告）號: CN109560291A
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發明（設計）人: 胡勁松;胡偉麗;江文杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 劉元霞

本發明公開了一種單原子Fe?N?C氧還原催化劑及其制備方法與應用。該制備方法包括如下步驟：(1)將動物血液進行干燥，得到前驅體；(2)將所述前驅體進行高溫熱處理，得到所述單原子Fe?N?C氧還原催化劑。本發明采用的動物血液中含有大量的血紅蛋白細胞，該細胞中含有Fe?N配位結構，經過高溫熱處理后，這些Fe?N配位結構仍然得以保存，其中Fe原子是以單原子的形式與臨近的N原子進行配位。與其他的原料和制備單原子催化劑的方法相比，本發明使用的原料是食品加工產業中的廢料，儲量豐富，價格低廉，催化劑制備方法簡單，易于大規模生產單原子Fe?N?C氧還原催化劑，并且催化劑的催化性能優異，可作為燃料電池或鋅空電池的陰極催化劑使用。

技術領域

本發明涉及一種單原子Fe-N-C氧還原催化劑及其制備方法與應用，屬于電催化劑領域。

背景技術

近幾年來，能源危機和環境污染問題越來越受到世界各國的重視。燃料電池和鋅空電池作為清潔可再生能源，具有較高能量轉換效率，在解決這兩個問題中占著舉足輕重的地位。然而，它們關鍵的陰極氧還原反應動力學緩慢，需要稀有的貴金屬作為催化劑，這就嚴重的阻礙了它們的廣泛應用。許多人開始利用貴金屬和其它過渡金屬組成合金或核殼等特殊結構，來提高貴金屬的利用率和降低其載量，但是這始終不能擺脫貴金屬本身的局限性。所以，極力發展高氧還原電催化活性的非貴金屬催化劑成為了解決能源和環境問題的迫切需求。

目前，單原子催化劑充分利用每一個催化活性位點，表現出較高的催化活性，在學術界是一個研究熱點。然而，由于單原子催化劑中原子的表面能較大，傾向于聚集形成納米顆粒，阻礙了單原子催化劑活性的發揮。人們采用各種方法限制單原子的聚集，但這些制備方法通常較為繁瑣，且成本較高。因此，發明一種高效、廉價的單原子催化劑的制備方法極具挑戰且意義重大。

含有過渡金屬Fe元素的氮摻雜碳材料(Fe-N-C)是目前最高效的非貴金屬氧還原催化劑。發展低成本的合成方法，可控合成單原子分散的Fe-N-C氧還原催化劑對于基于非貴金屬催化劑的燃料電池及金屬空氣電池等應用具有十分重要的意義。動物血液，如豬血、牛血和羊血等是食品加工產業中的廢料。每年全世界有數百億升的動物血液產生。這些血液中富含Fe、N與C元素，如果能將這些動物血液的部分利用起來，制備清潔能源的高效催化劑，不僅可以解決這些廢料的處理問題，也將會帶來一個十分大的產業。

發明內容

本發明的目的是提供一種單原子Fe-N-C氧還原催化劑及其制備方法與應用，本發明單原子Fe-N-C催化劑可作為燃料電池、鋅空電池的陰極氧還原催化劑使用，并且催化性能良好；本發明制備方法工藝簡單、經濟、操作便利、易于大規模生產。

本發明所提供的單原子Fe-N-C催化劑的制備方法，包括如下步驟：

(1)將動物血液進行干燥，得到前驅體；

(2)將所述前驅體進行高溫熱處理，得到所述單原子Fe-N-C催化劑。

上述的制備方法中，所述動物血液可為豬血、牛血和羊血等中的一種或幾種；

上述的制備方法中，步驟(1)中所述干燥的溫度可為80℃～150℃，具體可為120℃；

上述的制備方法中，步驟(1)中干燥后優選進行研磨，所述研磨方法可為手工研磨或機械研磨，具體可為球磨，但不局限于球磨；球磨的條件可為：轉速為100rpm～500rpm，具體可為500rpm；球磨時間為1小時～5小時，具體可為2小時；

上述的制備方法中，步驟(2)中所述高溫熱處理的溫度可為500℃～1100℃，具體可為800℃～1000℃、800℃、900℃或1000℃；熱處理的時間可為1小時～5小時，具體可為2小時；所述熱處理在氮氣氣氛下進行，可在管式爐的石英管中進行；