[發明專利]一種鐵氮摻雜的中空多孔碳材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202011228514.4
• 申請日: 2020-11-06
• 公開（公告）號: CN112310422B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 劉浩輝;劉敏超;郟建波;劉長宇;白書立;徐曉龍;呂歡;張楊;楊倩
• 申請（專利權）人: 五邑大學
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 顏希文

本發明公開了一種鐵氮摻雜的中空多孔碳材料及其制備方法，涉及多孔材料的合成技術。本發明所述制備方法包括如下步驟：(1)SiO₂球的合成；(2)聚電解質修飾的SiO₂的制備；(3)鐵摻雜的ZIF?8包覆聚電解質修飾的SiO₂復合材料的制備；(4)鐵氮摻雜的中空多孔碳材料的制備。由本發明所述制備方法制備得到鐵氮摻雜的中空多孔碳材料尺寸均勻，并且具有良好的ORR催化活性和穩定性，相比于傳統的Pt/C催化劑，其價格也更為低廉。

技術領域

本發明涉及多孔材料的合成技術，尤其涉及一種鐵氮摻雜的中空多孔碳材料及其制備方法。

背景技術

燃料電池是能源轉換裝置的代表，可以直接將化學能轉化為電能，因其能量轉化率高、污染小、便攜等特點，成為目前解決能源危機與環境污染等問題的核心技術。但其陰極氧還原反應(ORR)動力學過程緩慢，限制了燃料電池的商業化應用。而性能優異的電催化劑可以加速燃料電池電極-電解質界面的電化學反應動力學，提高燃料電池的性能和使用壽命。因此，研究燃料電池的ORR電催化劑一直是科學家們研究和發明的重要內容。

考慮到日益嚴重的環境污染以及燃料電池和金屬-空氣電池等清潔能源設備的需求，迫切需要開發高效穩定的催化劑來降低ORR的過電勢。迄今為止，商業化Pt/C仍然是ORR最有效的催化劑，并且廣泛應用于商業燃料電池中。然而，儲量少、價格高、易于聚集等不可避免的缺點嚴重限制了基于Pt/C的燃料電池的大規模商業化應用。目前最重要的任務就是設計具有優良活性和穩定性的廉價非貴金屬ORR催化劑。

多孔碳材料是一種很有前景的碳材料，因其較強的電子傳輸能力，大的比表面積以及形狀和結構的靈活性而引起了人們的極大興趣。常用的多孔碳材料的合成方法分為模板法和非模板法。其中模板法是使用最多的方法，模板法是有效地制備多孔碳催化劑的常用方法。根據所選模板的物理化學性質的不同，將模板法分為硬模板法和軟模板法，例如，SiO₂和金屬氧化物是典型的硬模板，而表面活性劑，如Pluronic P123和Pluronic F127可用作典型的軟模板。去除模板產生的大量孔結構可以最大化暴露反應中心并且促進ORR期間的物質運輸。

金屬有機框架(MOFs)是由金屬離子或金屬簇與剛性有機配體通過配位鍵連接形成且具有無限網絡結構的晶體材料，由無機和有機兩個部分組成。

具有本征M-N位點的金屬有機框架(MOFs)擁有較大的比表面積和豐富的孔結構，是制備ORR催化劑的有效前驅體。然而，導電性差是其致命的缺點，這嚴重制約了MOFs在電催化領域的應用。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足之處而提供一種ORR高效、穩定的鐵氮摻雜的中空多孔碳材料及其制備方法。相比于傳統的Pt/C催化劑，其價格也更為低廉。

為實現上述目的，本發明所采取的技術方案為：一種鐵氮摻雜的中空多孔碳材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)二氧化硅球的合成：將正硅酸乙酯、乙醇、氨水和去離子水混合，攪拌、離心、洗滌、干燥后，得到二氧化硅球；

(2)聚電解質修飾的SiO₂(PP-SiO₂)的制備：將二氧化硅球加入聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)溶液中，攪拌，離心，洗滌，得到經PDDA修飾的SiO₂(P-SiO₂)；然后將P-SiO₂加入聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)溶液中，攪拌、離心，得到聚電解質修飾的SiO₂(PP-SiO₂)；

所述聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液中聚二烯丙基二甲基氯化銨的質量分數為0.8-1.2％，所述二氧化硅球的質量與聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液的體積的比例為3:(70-90)g/mL；所述聚苯乙烯磺酸鈉溶液中聚苯乙烯磺酸鈉的質量分數為0.8-1.2％；