[發明專利]一種S摻雜Fe-N-C納米多孔碳纖維氧還原催化劑及其制法

在審

• 申請號: 202010747845.2
• 申請日: 2020-07-30
• 公開（公告）號: CN112064151A
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 向代成
• 申請（專利權）人: 嵊州市量創新材料有限公司
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F8/16;D01F8/08;D01D5/00;C08F8/34;C08F8/12;C08F120/44;C08G83/00;B82Y40/00;H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 北京風雅頌專利代理有限公司 11403
• 代理人: 于潔

本發明涉及氧還原催化劑技術領域，且公開了一種S摻雜Fe?N?C納米多孔碳纖維氧還原催化劑，包括以下配方原料：Fe基金屬有機骨架、聚丙烯腈、氨基硫脲、縮合劑。該一種S摻雜Fe?N?C納米多孔碳纖維氧還原催化劑，以Fe基金屬有機骨架為模板，與聚丙烯腈形成的復合物為原料，通過靜電紡絲技術制備出的碳纖維，再熱裂解形成S摻雜富氮納米碳材料為氧還原催化劑，其納米尺寸具有很大的比表面積，具有優異的導電性能，同時促進了更多的Fe?N和C?N的活性位點的生產，S摻雜影響了Fe中心周圍的電子云密度，降低了電子局域化，改善了催化劑活性位點與氧化物質的相互作用，使催化劑具有優異的氧還原催化活性。

技術領域

本發明涉及氧還原催化劑技術領域，具體為一種S摻雜Fe-N-C納米多孔碳纖維氧還原催化劑及其制法。

背景技術

燃料電池是一種新型高效的能源裝置，被認為是解決能源枯竭和環境污染的新能源，其中氧還原反應(ORR)在燃料電池以及金屬-空氣電池的應用中具有重要的地位，但是氧還原反應在動力學上反應較慢，而氧還原催化劑是其最核心的材料，主要分為鉑基催化材料與非鉑基催化材料，鉑基催化材料由于產量稀少，價格昂貴等已經阻礙了鉑基催化燃料電池的發展與商業化，探究高效、穩定、廉價的氧還原催化劑對加快燃料電池等新能源的商業化進程具有重要的意義。

非貴金屬電催化劑材料主要有雜原子摻雜碳材料、非貴金屬氧化物、過渡金屬-氮-碳復合材料，其中Fe-N-C非貴金屬電催化劑，因其成本較低，原料廉價、合成方法簡單等特點，是一種非常具有潛力的氧還原催化劑材料，但是目前的Fe-N-C氧還原催化劑導電性較差，抑制了電子的傳輸和擴散，阻礙了氧還原反應的正向進行，并且催化劑的比表面積不高，同時Fe元素在催化劑材料中分散不均勻，大大降低了催化劑中Fe-N和C-N的活性位點。

(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S摻雜Fe-N-C納米多孔碳纖維氧還原催化劑及其制法，解決了Fe-N-C氧還原催化劑導電性較差的問題，同時解決了催化劑活性位點暴露不充分的問題。

(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S摻雜Fe-N-C納米多孔碳纖維氧還原催化劑，包括以下按重量份數計的配方原料：50-65份Fe基金屬有機骨架、25-30份聚丙烯腈、2-3份氨基硫脲、10-17份縮合劑。

優選的，所述縮合劑為2-(7-氧化苯并三氮唑)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸鹽。

優選的，所述Fe基金屬有機骨架制備方法包括以下步驟：

(1)向反應瓶中通入N₂排出空氣，加入乙醇溶劑、對苯二甲醛和5-氨基間苯二甲酸，將反應瓶中置于油浴鍋中，加熱至80-90℃，勻速攪拌反應20-30h，反應通過薄層色譜分析法觀測反應結果，當對苯二甲醛反應完全后，將溶液減壓濃縮除去溶劑，使用無水乙醚洗滌固體產物，將固體產物溶于乙醇溶劑中，自然揮發進行重結晶分離純化，制備得到有機配體對苯亞胺間苯二甲酸，反應方程式如下：

(2)向反應瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶劑、FeCl₃和有機配體對苯亞胺間苯二甲酸，將反應瓶中置于超聲分散儀中，在60-80℃下超聲分散處理1-2h，并勻速攪拌20-40min，將溶液轉移進聚四氟乙烯水熱反應釜中，并置于反應釜加熱箱中，加熱至130-150℃，反應25-30h，將溶液冷卻至室溫，加入過量蒸餾水直至有大量沉淀析出，過濾除去溶劑，使用乙醚溶劑洗滌固體產物，將固體產物置于乙醇溶劑中，在70-80℃下勻速攪拌4-6h，將溶液減壓濃縮除去溶劑，使用乙醇溶劑洗滌固體產物，并置于真空干燥箱中在40-50℃充分干燥，制備得到Fe基金屬有機骨架。

優選的，所述對苯二甲醛和5-氨基間苯二甲酸的物質的量摩爾比為1:2-2.5。