[發明專利]一種2D氧還原催化劑Fe3

有效

• 申請號: 201811579276.4
• 申請日: 2018-12-24
• 公開（公告）號: CN109731599B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 袁凱;李龍彬;陳義旺;胡婷;談利承
• 申請（專利權）人: 南昌大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;H01M4/90
• 代理公司: 南昌新天下專利商標代理有限公司 36115
• 代理人: 施秀瑾

一種2D氧還原催化劑Fe₃O₄@FeNC納米片的制備方法，將氧化石墨烯先分散在水中，然后加入吡咯單體和氧化劑氯化鐵得到石墨烯?聚吡咯二維聚合物，得到的二維聚合物加入適量的氯化鐵。通過熱解二維聚合物和氯化鐵混合物得到二維碳材料，通過加入氫氧化鉀活化，再在通過硫酸酸洗以及再次碳化得到2D氧還原催化劑Fe₃O₄@FeNC納米片。本發明制備得到的2D?Fe₃O₄@FeNC納米片具有高氧還原活性，高的甲醇耐受性，高穩定性，是理想的氧還原催化劑，并且在有潛力應用于能源儲存與轉化器件中。

技術領域

本發明屬于新材料和電化學催化領域，具體涉及一種二維（2D）氧還原催化劑Fe₃O₄@FeNC納米片的制備方法。

背景技術

氧還原反應是一些能量轉換和存儲設備(如金屬空氣電池和燃料電池)的核心反應。然而，長期以來，這些設備的效率受到正極上本質上緩慢氧還原反應動力學的限制，這也給研發高效的氧還原反應催化劑帶來巨大的挑戰。目前，貴金屬Pt及其合金對氧還原反應具有最高效的電催化性能，但其地球豐度低，價格昂貴，穩定性差極大地限制了其大規模應用。因此，在開發高性能、長期穩定性和良好的甲醇耐受性的無貴金屬碳基氧還原反應電催化劑中投入大量的研究變得十分重要。

通過氫氧化鉀活化得到的2D-Fe₃O₄@FeNC具有高的比表面積，多級分孔結構，有利于加速反應的傳質過程，同時該催化材料富含原子級分散的Fe-N_x和碳層包覆的Fe₃O₄納米粒子的高活性位點，為氧還原反應提供反應場所。

發明內容

本發明的目的是提供一種2D氧還原催化劑Fe₃O₄@FeNC納米片的制備方法，其設計合理，方法簡單，低成本，高活性的2D氧還原催化劑Fe₃O₄@FeNC納米片的制備方法，替代貴金屬Pt作為催化劑應用于氧還原反應中。

本發明是通過以下技術方案實現的。

本發明所述的一種2D氧還原催化劑Fe₃O₄@FeNC納米片的制備方法，其特征在于，包括以下步驟。

（1）將氧化石墨烯分散在水中，超聲，攪拌，得到0.1~0.5 mg/mL的均勻分散液。

（2）將吡咯單體加入步驟（1）得到的分散液中，攪拌，其中，所述吡咯單體與氧化石墨烯的重量比為30:1~10:1。

（3）將氯化鐵溶解在水中，并且逐滴加入到步驟（2）得到的混合體系中常溫聚合24小時，抽濾，洗滌，得到石墨烯-聚吡咯二維復合物，其中，聚合過程吡咯單體與氯化鐵的重量比為1:3~1:6。

（4）將步驟（3）得到的石墨烯-聚吡咯二維復合物分散到乙醇中，并將吸附所需的氯化鐵加入到分散液中，并在60 ℃下攪拌60分鐘，旋干，其中，吸附過程吡咯單體與氯化鐵的重量比為1:0.4~1:1。

（5）將上述步驟得到的固體粉末置于瓷舟中，放入管式爐高溫碳化，其中高溫碳化的工藝參數為：惰性氣體氮氣保護下，碳化溫度為800 ℃，升溫速率為5 ℃/min，保溫時間2小時。

（6）將步驟（5）所得到的固體置于研缽中，加入氫氧化鉀固體研磨，再經高溫活化，其中活化工藝參數為：氫氧化鉀與步驟（5）所得固體樣品重量比為4:1，在惰性氣體氮保護下，活化溫度為600～800 ℃，升溫速率為5 ℃/min，保溫時間2小時。

（7）將步驟（6）得到的固體樣品用過量的硫酸水溶液酸洗，所述酸洗過程為：在0.5M的硫酸溶液中，80 ℃攪拌12個小時后，抽濾，洗滌，干燥。