[發明專利]一種含鐵氧還原催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201710914789.5
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107742732B
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 李福枝;劉躍軍;石璞;譚平
• 申請（專利權）人: 湖南工業大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 劉奇

技術領域

本發明涉及催化劑制備技術領域，尤其涉及一種含鐵氧還原催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

金屬-空氣電池尤其是鋁-空氣電池，是最有前途的能量轉換與儲存技術手段。鋁空氣電池有不少特點，比如價格低，環境友好，運行溫度低(常溫)，實際能量密度高達600wh·kg^-1。但是，鋁空氣電池的空氣電極在常溫下的反應速度非常慢，需要催化劑來催化提速。目前最好的催化劑是商業鉑碳，常見的是JM 20％Pt/C，但是鉑金屬非常昂貴，且稀少，很難大規模地商業應用。因此，尋找高效的非鉑金屬催化劑已成為該電池的瓶頸問題。

近些年來，碳材料尤其是氮摻雜的碳材料同時修飾上含過度金屬活性顆粒的催化劑廣受關注，特別是氮和鐵共同修飾摻雜的碳材料(Fe-N-Cs)類型的催化劑在ORR(氧氣還原反應)方面的研究取得了比較好的成果。研究者普遍認為，包裹在石墨化的碳材料中的非晶態的FeN_xC_y和晶態的鐵基納米顆粒，是此類催化劑的主要活性位點。目前，制備Fe-N-C類催化劑的常見技術方案歸總如下：(1)將鐵鹽與含氮有機物混合，同時添加軟模板如P123(聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物)或者F127(聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物)，或者二氧化硅硬模板，在氬氣流下煅燒一定的時間；(2)將鐵鹽與卟啉或者酞青制成鐵卟啉或者鐵酞青，或者將鐵鹽與含碳含氮有機物混合制成鐵有機骨架化合物，然后煅燒一定的時間。但是這些制備往往需要使用價格較貴的材料，如軟模板P123、F127、二氧化硅、鐵酞青，卟啉等等，存在原料昂貴的問題。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種含鐵氧還原催化劑的制備方法，在不影響氧還原催化劑的催化活性的基礎上降低原料的成本。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

一種含鐵氧還原催化劑的制備方法，所述含鐵氧還原催化劑具有式I所示化學組成：

Fe₇C₃-Fe₃N/FeN_xC_y-KB式I，

式I中KB為導電炭黑；

所述制備方法包括以下步驟：

(1)將可溶性鐵鹽、KB、含氮有機物以及水混合進行水熱反應，得到水熱產物；

(2)將所述步驟(1)得到的水熱產物進行研磨，得到研磨物料；

(3)將所述步驟(2)得到研磨物料進行第一煅燒，得到第一煅燒產物；

(4)將所述步驟(3)得到的第一煅燒產物在無機酸中洗滌后進行第二煅燒，得到含鐵氧還原催化劑。

優選地，所述步驟(1)中水熱反應的溫度為100～120℃，所述水熱反應的時間為12～24h。

優選地，所述步驟(1)中可溶性鐵鹽中鐵的摩爾量與含氮有機物中N元素的摩爾量和KB的質量比為4mmol：7～10mmol：0.2g。

優選地，所述步驟(3)中研磨物料進行第一煅燒前還包括：用銅箔包裹所述研磨物料。

優選地，所述步驟(3)中第一煅燒的溫度為600～900℃，所述第一煅燒的時間為1～3h。

優選地，所述步驟(4)中第二煅燒的溫度為600～900℃，所述第二煅燒的時間為0.5～2h。

優選地，所述步驟(4)中無機酸的質量濃度為3mol/L，所述洗滌時第一煅燒產物的質量與無機酸的體積比為3g：60～70mL。

本發明還提供了上述技術方案所述制備方法制得的含鐵氧還原催化劑，所述含鐵氧還原催化劑包括以下質量百分含量的元素：C：90～96.31％，Fe0.66～2％，N 2.08～2.5％。

優選地，所述含鐵氧還原催化劑的粒徑為30～82nm。

本發明還提供了上述技術方案所述含鐵氧還原催化劑在氧還原反應中的應用。