[發明專利]一種FeCo-MOFs-生物質基富氮多孔碳氧還原催化劑及其制法

在審

• 申請號: 202010110325.0
• 申請日: 2020-02-24
• 公開（公告）號: CN111151288A
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發明（設計）人: 朱旭烈
• 申請（專利權）人: 朱旭烈
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/10;B01J37/08;H01M4/90
• 代理公司: 北京恒泰銘睿知識產權代理有限公司 11642
• 代理人: 王肖林

本發明涉及氧還原催化劑技術領域，且公開了一種FeCo?MOFs?生物質基富氮多孔碳氧還原催化劑及其制法，包括以下配方原料：羥基化碳納米管、富氮生物質、FeCo雙金屬MOFs。該一種FeCo?MOFs?生物質基富氮多孔碳氧還原催化劑及其制法，大分子醛胺縮合物富氮生物質，煅燒形成多孔的富氮碳材料，使碳材料表現出良好的正電性，促進了催化劑對氧原子的吸附能力，碳納米管均勻地分散在富氮生物質的表面，煅燒形成高比表面積和孔隙結構豐富的多孔碳材料，提高了反應產物在電解質和催化劑之間的遷移速率，增大了催化劑與電解質的接觸面積，Fe?Co雙金屬MOFs，與富氮生物質煅燒形成的石墨氮和吡啶氮配位形成大量的Fe?Nx和Co?Nx/C簇活性位點，增加了催化劑的催化活性。

技術領域

本發明涉及氧還原催化劑技術領域，具體為一種FeCo-MOFs-生物質基富氮多孔碳氧還原催化劑及其制法。

背景技術

化石燃料是人類生產、生活中使用的主要能源，是一種不可再生資源，隨著全球能源需求量的增長和環境污染問題日益嚴峻，開發綠色新能源和節能產品，以及提高化學能的轉化效率成為研究熱點，燃料電池是一種新型能源轉換裝置，燃料電池的陽極反應通過電化學催化過程，將燃料的化學能轉化為電能，從而實現能源的高效轉化，燃料電池的電催化實現能源轉換，是一種相對綠色環保的過程，其中陰極反應通常是氧還原反應(ORR)，氧來源通常為空氣中的O₂。

目前氧還原反應催化劑主要是含貴金屬的碳載鉑類催化劑，但是商業化的碳載鉑類催化劑成本很高，并且電化學穩定性較差，并且在甲醇燃料電池中，耐甲醇性不好，大大降低碳載鉑類催化劑的實用性和廣泛使用，此外還有碳基非金屬催化劑、過渡金屬碳基催化劑等，但是目前的碳基非金屬催化劑在氧還原反應中吸附氧原子的能力不高，抑制了氧還原反應的正向進行，而過渡金屬碳基催化劑中的過渡金屬化合物結晶度較高，減少了氧還原反應的活性位點，阻礙了電子和反應產物的擴散和傳輸。

發明內容

(一)解決的技術問題

針對現有技術的不足，本發明提供了一種FeCo-MOFs-生物質基富氮多孔碳氧還原催化劑及其制法，解決了碳基非金屬催化劑吸附氧原子的能力不高，抑制了氧還原反應的正向進行的問題，同時解決了過渡金屬碳基催化劑活性位點較少，阻礙了電子和反應產物的擴散和傳輸的問題。

(二)技術方案

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種FeCo-MOFs-生物質基富氮多孔碳氧還原催化劑及其制法，包括以下按重量份數計的配方原料：3-6份羥基化碳納米管、52-67份富氮生物質、30-42份FeCo雙金屬MOFs。

優選的，所述羥基化碳納米管為羥基化多壁碳納米管，長度15-25um，直徑2-8nm，活性羥基含量5-6％。

優選的，所述富氮生物質制備方法包括以下步驟：

(1)向乙醇溶液中加入三聚氰胺和戊二醛，將溶液加熱至80-90℃，回流反應10-15h。

(2)向溶液中加入L-賴氨酸和催化劑對甲基苯磺酸，將溶液轉移進水熱反應釜，加熱至160-180℃，反應30-35h，將溶液冷卻至室溫、減壓濃縮、洗滌、干燥，制備得到基于醛胺縮合擴鏈反應的大分子富氮生物質。

優選的，所述三聚氰胺、戊二醛、L-賴氨酸和對甲基苯磺酸，四者的物質的摩爾比為1:30-40:35-48:1.5-2。

優選的，所述FeCo雙金屬MOFs為Fe-Co雙金屬有機骨架，制備方法包括以下步驟：