[發明專利]一種氮摻雜硫化亞鐵氧還原催化劑材料及其制備應用

有效

• 申請號: 201910768282.2
• 申請日: 2019-08-20
• 公開（公告）號: CN112421060B
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發明（設計）人: 元瑤;陳劍
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88;B01J27/24
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明公開了一種氮摻雜硫化亞鐵(N?FeS)花狀微球材料的制備方法及其電催化氧還原用途。該方法將二乙基二硫代氨基甲酸酯作為硫源，在水溶液中與氯化亞鐵發生反應得到含硫鐵基前驅體沉淀。硫化反應后得到的FeS具有穩定的形貌，由薄片組合形成花狀微球且尺寸大小均一。該材料可作為電催化劑催化氧還原反應的進行，具有較高的催化活性與穩定性。該合成方法，對合成成分與結構可控、對具有高比表面積以及良好耐久性的氧還原電催化材料提供了極大的可能性。同時合成方法簡單易行，成本低廉，適用于大規模生產，并且在電化學氧還原反應中表現出優異的活性與穩定性能，具有良好的工業應用前景。

技術領域

本發明涉及一種氮摻雜過渡金屬硫化物N-FeS花狀微球催化劑的制備方法及其電催化用途。

背景技術

能源是經濟增長與社會發展的重要物質基礎。每一次能源技術時代性的變遷，都伴隨著生產力的飛躍，推動了全人類社會的極大發展與進步。隨著人口的增多和經濟的高速發展，全球對于能源的需求越來越大。能源危機和環境問題成為了當今國際社會中，在政治、經濟、軍事、外交等各個方面的重要焦點和科學研究的熱點。探索發展綠色可再生能源技術，可從根本上解除對化石燃料的依賴。因此，越來越多的科學研究者們開始不遺余力地尋找與開發可解決當前能源需求和環境問題的理想可持續能源設備，如燃料電池,太陽能電池,金屬-空氣電池等等。盡管目前大量研究工作已取得了極大的進展，但這些設備距離實際大規模應用還有很多重大技術問題亟需解決。尤其，包括燃料電池，金屬-空氣電池在內，都受限于反應速率低的氧還原反應(Oxygen reduction reaction，ORR)，需要大量的貴金屬催化劑材料來加速其反應進程。然而，具有高催化活性的Pt基陰極催化劑價格昂貴，資源稀缺且穩定性差。這便促使人們積極尋找開發性能優異且成本低廉的貴金屬替代催化劑。非貴過渡金屬硫化物材料儲量豐富，價格低廉，具有潛在的電催化能力。而氮摻雜可改變本征材料的化學組成與電子結構，是調控獲得高效催化劑的有效手段。因此，可通過對結構/組成等的合理設計調控，使得該類材料有望取代貴金屬在電化學催化中取得應用與發展。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，克服以上現有技術的缺點：提供一種電催化氧還原催化劑材料及其制備方法。本發明申請人針對目前存在的技術問題，發現氮摻雜FeS材料具有優異的氧還原電催化性能，可在氧還原反應中代替貴金屬催化劑(Pt/C)作為陰極催化劑，具有低成本、高活性、高穩定性的特點。

本發明的技術解決方案如下：一種氧還原電催化劑材料，其催化活性成分為氮摻雜FeS及其復合材料中的一種或多種。

本發明催化劑的活性成分為氮摻雜FeS及其相關物質。本發明還提供了一種制備花狀氮摻雜FeS微球催化劑的方法及其電催化氧還原用途。

該方法將二乙基二硫代氨基甲酸酯作為硫源，在水溶液中與氯化亞鐵發生反應得到含硫鐵基前驅體沉淀。將該沉淀物過濾、洗滌、干燥后，在惰性氣氛中加熱，即可得到純相的FeS。硫化反應后得到的FeS具有穩定的形貌，呈現出花狀微球且大小均一。將FeS置于氨氣氣氛中高溫處理，較短時間內就可以將雜原子氮摻雜到FeS的晶格中，且不對其形貌造成影響，可作為催化劑電催化氧還原反應的進行。該合成方法，對合成成分與結構可控，還對具有良好的耐久性的高比表面氧還原電催化材料提供了很大的可能性。該方法簡單易行，成本低廉，適用于大規模生產，并且在電化學催化氧還原反應中表現出接近商用Pt/C催化劑優異活性與超過商用Pt/C催化劑的強穩定性，具有很好的工業應用前景。