[發(fā)明專利]一種FeN4

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910749501.2
• 申請日: 2019-08-14
• 公開（公告）號: CN110571440B
• 公開（公告）日: 2022-01-25
• 發(fā)明（設計）人: 熊杰;孫鶴;雷天宇;陳偉;王顯福;胡安俊;晏超貽
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

本發(fā)明提供一種FeN₄?CNT氧還原催化劑的制備方法，屬于燃料電池和空氣電池催化材料領域。本發(fā)明制備中先形成Fe?N的配位，然后再碳化制備含F(xiàn)eN₄的碳二維納米片，通過含均勻分布FeN₄的碳二維納米片，以金屬?有機框架化合物(Metal?Organic?Framework,MOF)結構為前驅體，最終合成FeN₄?CNT催化劑。由于先形成Fe?N的配位，使得最后制備的的Fe原子負載大幅提高；并且該制備方法中Fe原子分布均勻，催化形成的碳納米管尺寸均一，該結構使得不僅有效的解決了原子團聚問題，也增加了Fe的活性位點數(shù)量，并且提高了FeN₄活性位點的催化活性，使得制備的Fe原子負載可達2.4wt％。

技術領域

本發(fā)明屬于電池催化材料領域，具體涉及一種FeN₄-CNT(carbon nanotube，碳納米管) 氧還原催化劑的制備方法。

背景技術

電化學氧還原反應(oxygen reduction reaction ORR)是新能源應用，尤其是燃料電池和金屬-空氣電池的關鍵反應之一。傳統(tǒng)的ORR催化劑主要是采用的鉑系貴金屬，因為其有著較高的催化活性，但是貴金屬材料的稀缺性和高昂的成本限制了其商業(yè)化應用。因此，目前研究人員致力于開發(fā)出低成本、高催化活性的催化劑，以期能夠取代鉑系催化劑。

到目前為止，研究人員已研究制備了許多非貴金屬的催化劑，如鐵基、鈷基催化材料，其中一些材料甚至表現(xiàn)出與商用Pt/C催化劑相當?shù)男阅堋ｈF和氮摻雜碳材料(Fe-N-C)因其較高的催化活性和較低的制備成本受到研究人員的廣泛關注。然而，大量的Fe-N-C催化劑仍具有較高的過電勢，如：Long Jiao,et al.From Metal-Organic Frameworks toSingle-Atom Fe Implanted N-doped Porous Carbons:Efficient Oxygen Reduction inBoth Alkaline and Acidi c Media.Angew.Chem.2018,130,8661-8665，其半波電位為0.891V，因此，它們作為Pt 基電催化劑的替代物在工業(yè)上的實際應用仍然具有挑戰(zhàn)性。

從2011年張濤團隊及其合作者提出單原子催化概念以來(Botao Qiao,etal.Single-ato m catalysis of CO oxidation using Pt1/FeOx.Nature Chemistry2011,3,634-641.)，基于Fe、 Co、Ni、Cu等非貴金屬單原子催化劑的制備成為研究熱點。單原子催化及其支撐體系可以解決納米材料催化過程中的團聚問題，提高催化效率和活性位點的利用率，從而進一步降低催化成本。但在實際制備過程中，由于單原子Fe在支撐體系的分布因素較多，導致目前制備的單原子金屬催化劑有效負載量往往較低(0.5wt％)，如Meiling Xiao制備的單原子Fe負載僅為0.32wt％(Meiling Xiao,et al.FrameworkInduced Synthesis of Single-Atom Disperse d Fe-N-C Acidic ORR Catalyst andIts in Situ Reduced Fe-N4Active Site Identification R evealed by X-rayAbsorption Spectroscopy.ACS Catal.2018,8,2824-2832)。因此，制備一種具有較低過電勢和較高負載的Fe-N-C單原子催化劑對燃料電池甚至新能源的應用來說具有重要的意義。

綜上所述，現(xiàn)有技術中單原子金屬催化劑的制備過程中仍存在負載低和過電勢較大的問題。

發(fā)明內(nèi)容