[發明專利]一種多孔碳材料負載過渡金屬Fe、Co復合材料的制備方法

在審

• 申請號: 201910251143.2
• 申請日: 2019-03-29
• 公開（公告）號: CN110201695A
• 公開（公告）日: 2019-09-06
• 發明（設計）人: 李生娟;姬忠軍;徐以祥;李磊;朱鈺芳
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/00;B01J35/10;B01J37/08
• 代理公司: 上海瑞澤律師事務所 31281
• 代理人: 寧芝華

本發明涉及一種多孔碳材料負載過渡金屬Fe、Co納米材料的制備方法，將檸檬酸、NH₄Cl、Co(NO₃)₂·6H₂O和Fe(NO₃)₃·9H₂O加入到去離子水中，然后超聲分散至形成均勻透明的溶液，然后放到磁力攪拌器上劇烈攪拌，隨后，將均勻溶液旋轉蒸發并在60℃下干燥12小時以形成固體混合物。將固體混合物研磨約10分鐘后得到充分混合的反應物粉末。然后將前體粉末在1000℃的溫度下在Ar氣氛中以10℃min^?1的加熱速率碳化5小時。最后，得到具有蓬松結構的黑色產物。本發明制備工藝簡單、成本低、電化學性能優良、對環境無危害，有效的克服了現有制備方法多步合成過程條件苛刻，工藝復雜、成本較高等缺點。

技術領域

本發明涉及一種通過氣體發泡技術制備多孔碳材料負載過渡金屬Fe、Co復合材料的制備方法，具體涉及材料化學技術領域。

背景技術

高能耗，嚴重污染和不可再生的化石燃料不符合人類社會可持續發展的要求。清潔，高容量和可再生能源儲存和轉換系統，如燃料電池，金屬空氣電池和水分解系統，被認為是傳統化石燃料的潛在替代品。它們的金屬-空氣電池因其理論能量密度高而受到廣泛關注，科研人員正在進行深入研究。盡管金屬-空氣電池的研究已取得較大進展，仍面臨很多挑戰，主要包括陽極的利用率低和陰極的動力學過程緩慢、過電勢高和可逆性差，導致實際能量密度低，而且陰極反應機理仍不是很明晰。毫無疑問，空氣電極是目前影響金屬-空氣電池性能的關鍵因素。氧還原反應( ORR) 和氧生成反應( OER) 的過電勢嚴重降低了金屬-空氣電池的輸出功率和循環效率。因此，想要發揮金屬-空氣電池的全部潛能，首先要闡明基礎的氧化學過程，其次發展高性能、低成本的雙效氧電極降低ORR和OER過電勢。為此，研究者們致力于探究陰極反應機理，發展高效的雙功能催化劑材料和設計合理的電極結構。

迄今為止，Pt基貴金屬仍然被認為是對ORR最有效的電催化劑，而IrO₂和RuO₂是對OER最有效的電催化劑。然而，這些貴金屬催化劑的稀有性，高成本和差的耐受性等缺點嚴重阻礙了金屬空氣電池的大規模應用。因此，科技工作者在開發先進的非貴金屬催化劑以取代Pt和Ru基催化劑用于ORR和OER方面正在做出巨大努力。碳材料摻雜定量的非金屬元素（例如N、B、S、P）可以提升電化學性能，因為異原子摻雜會改變碳材料的化學和電子性質，形成缺陷和官能團。其中過渡金屬和氮共摻雜碳材料（M-N- C， M = Ni，Co，Fe等）由于其具有優異的ORR和OER雙功能氧電極活性而被廣泛報道。例如，Co NPs(納米粒子)和N共摻雜的3D石墨烯通過將碳納米球推入石墨烯納米片的層間而合成，并且表現出優異的雙功能氧電極活性（ΔE= 0.81V）。最近，Deng’s group（DOI: 10.1039/C5TA09232A）通過將納米粒子（FeNPs）固定在N摻雜的納米碳插層石墨烯上，構建了一種高效穩定的雙功能氧電極催化劑（ΔE= 0.80 V）。

Ci and coworkers(DOI: 10.1039/C6NR08057J)制備粘附在N摻雜碳納米管內壁上的FeCo合金納米顆粒，并且在可再充電的Zn-空氣電池中實現了152mW cm^-2的峰值功率密度。然而，高活性雙功能M-N-C催化劑的簡單合成仍然是一個挑戰，特別是對于獨特的3D多孔結構和高比表面積。目前，包括SiO₂球， SBA-15， MgO和固體NaCl在內的硬模板通常用于合成這種3D多孔M-N-C催化劑。但是多步合成過程，條件苛刻，模板方法成本高等缺點也是不容忽視的。因此，探索一種簡便的方法來合成具有獨特三維結構多孔，高比表面積和優異的雙功能催化活性的新型M-N-C催化劑以勢在必行。

發明內容