[發明專利]一種富含二價鐵位點的內凹型十二面體材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202010146081.1
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111211333A
• 公開（公告）日: 2020-05-29
• 發明（設計）人: 梁彥瑜;駱嚴;來慶學;陳寧寧
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

本發明公開了一種富含二價鐵位點的內凹型十二面體材料及其制備方法，屬于新能源材料領域，提供了一種簡單有效的金屬摻雜誘導策略來調整原子分散的活性位點的結構，并同步地調整碳基體的微觀結構，從而開發用于質子交換膜燃料電池（PEMFC）的無鉑族貴金屬催化劑。本發明包括以下步驟：將2?甲基咪唑溶于甲醇中，標記為1^#；將硝酸鋅與硝酸鐵溶于甲醇，再加入用稀鹽酸刻蝕后的Cu箔，超聲至少1 h，標記為2^#；隨后將2^#迅速倒入1^#，并在室溫下攪拌1 h；將樣品進行離心、真空干燥后，在氬氣氣氛下，1100℃熱處理1 h，最終制得富含原子分散的二價鐵位點的內凹型十二面體材料。

技術領域

本發明屬于新能源材料技術領域，具體涉及一種富含二價鐵位點的內凹型十二面體材料及其制備方法。

背景技術

隨著經濟的不斷發展，不可再生的化石燃料等能源急劇消耗，使得環境問題日益嚴重。面對不斷增長的能源需求，尋求清潔高效的可再生能量轉換與儲存技術已經成為各國政府與人民共同關注的問題。近年來，許多先進的電化學能量儲存與轉換技術，包括燃料電池、鋰離子電池與鋅空氣電池等，得到了迅猛發展，并有望作為綠色、高效的可持續動力電源，服務于電動汽車等領域。這些技術能夠有效實現化學能與電能之間的直接轉換，對高效利用可再生清潔能源、緩解能源危機和環境污染等問題發揮了舉足輕重的作用。在這些技術中,質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) 由于可以直接將燃料的化學能轉化為電能，且具有結構簡單、功率密度高、工作溫度低和尾氣零污染等優勢,所以可作為各項應用設備的動力來源,包括固定發電站和電動汽車等。然而，這項新型的能源技術目前仍存在諸多明顯的缺陷，比如生產成本高昂、氣體存儲與供應系統不成熟等，顯著限制了該技術的大規模商業化應用。這些嚴重的問題大都涉及多電子參與的動力學緩慢的氧還原反應（Oxygen reaction reduction, ORR）。PEMFC的單電池的結構較為簡單，由陽極、陰極和質子交換膜組成，陽極為氫燃料發生氧化反應的場所，陰極為氧化劑還原的場所，相比于陽極氫氣的氧化反應，陰極氧還原反應的機制涉及多個電子、多條反應途徑，從而導致過電位高、反應動力學緩慢等問題，成為限制該技術性能提升的關鍵步驟。因此，當前迫切需要開展酸性介質中高效的ORR電催化劑，以有效降低ORR過電位、加速反應動力學，從而促進PEMFC技術的大規模商業化，并大力推動這項技術作為動力電源在低能耗新能源汽車的發展與應用。

傳統的ORR電催化劑是以鉑（Pt）為代表的貴金屬材料，例如導電碳載體錨定高分散的鉑納米顆粒。但是該類材料大量使用了價格昂貴、儲量稀缺的貴金屬Pt材料，導致催化劑的成本顯著增加；同時，由于Pt材料的低催化選擇性導致該類催化劑容易與反應物中的雜質及催化中間產物等相互作用，導致催化劑中毒失活，顯著降低了催化劑的使用壽命，從而長期制約著這項技術的大規模應用和發展。因此，我們可以通過對Pt催化劑的用量與結構進行調控與改進，或是探索地球富含的過渡金屬元素取代貴金屬Pt，從而降低催化劑的成本，并提升催化劑的活性與穩定性。迄今為止，過渡金屬和氮摻雜碳（M-N-C）催化劑，特別是Fe-N-C催化劑，在酸性電解液中表現出了最佳的ORR性能，但仍與Pt基催化劑存在明顯的活性差距。通過增大碳基體中Fe-N_X活性位點的密度來提高Fe-N-C催化劑的ORR活性，是一種有效的方法。