[發明專利]一種可調官能團碳納米管負載酞菁鐵復合材料的制備方法及應用

在審

• 申請號: 202011246277.4
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112366325A
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 張文林;楊雙丞;于豐收;張永康;王磊;楊德新;李春利
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 趙鳳英

本發明為一種可調官能團碳納米管負載酞菁鐵復合材料的制備方法及應用。該方法包括如下步驟：將酞菁鐵溶液和功能化多壁碳納米管MNCNT?R溶液混合，超聲分散10～60min分散液，最后將分散液在室溫和氮氣保護下磁力攪拌10～24h，得到黑色固體產物功能化碳納米管負載酞菁鐵復合材料。本發明得到的是具有優異氧還原性能的復合電催化材料，可以實現高效催化高質量高電流密度的碳基氧還原催化材料的制備。

技術領域

本發明涉及的是電化學的技術領域，特別涉及電催化劑及其制備方法與其在電催化氧還原中的應用。

背景技術

化石燃料使用增加引起的全球環境問題刺激了全世界對可持續能源技術的研究。可持續能源技術的發展，包括金屬空氣電池和燃料電池，在很大程度上依賴于用于氧還原反應(ORR)的電催化劑，因為它們是這種能源的核心。貴金屬催化材料(如Pt)由于其優良的ORR活性而得到了廣泛的研究和開發，但由于其價格高、儲量少、穩定性低，不能在全球范圍內大規模應用。因此，迫切需要開發低成本、高活性、高穩定性的ORR催化劑來取代傳統的貴金屬催化材料。

近年來，以非貴金屬為活性中心的氮原子配位材料由于其較高的ORR活性而逐漸成為貴金屬催化劑最有前途的替代品，其中最有前景的是M-N₄配位結構(M為Fe、Co、Ni等金屬)。近五年來，隨著催化劑制備方法和表征技術的發展，以M-N₄結構為主的單原子位催化劑(SASCs)得到了廣泛的研究。單原子M-N₄結構由于其可調諧的電子結構和高的導電性而成為一種很有吸引力的ORR催化劑，特別是通過研究發現氮摻雜碳基體配位于固定孤立的活性金屬中心的錨定位點，形成金屬氮碳(M-N-C)原子界面，而極大的提高ORR的活性。然而單原子催化劑有著一定的局限性，大多數單原子催化劑是通過煅燒來獲得的，合成條件復雜，并且煅燒后無法對催化劑表面進行有效修飾，這導致了大多數單原子催化劑有著較低的可塑性，只能應用于較單一的環境。

目前，如何穩定ORR反應中產生的超氧中間體是一個長期的研究課題。在材料或溶液中使用陽離子或廣泛的氫鍵是穩定O^2-的常用策略，最常見和最簡單的方法是引入能形成氫鍵的官能團，但是由于單原子催化劑的低可塑性，使官能團無法簡單的引入到材料之中。最近一些具有M-N₄的類卟啉結構的小分子催化劑成為了研究熱點，其中金屬酞菁作為具有二維平面結構和M-N₄結構的小分子得到了廣泛研究，這種小分子具有大π鍵可以與石墨烯類結構形成π-π吸引并錨定在石墨烯類結構的表面，同時這種材料具有良好的課修飾性，通常最簡單的方式就是先修飾石墨烯類基底，再引入金屬酞菁結構；但由于金屬酞菁本身易團聚，穩定性差，長時間易失活，對環境適應性差，應用上存在很多局限。

發明內容

本發明的目的為針對當前技術中存在的不足，提供了一種可調官能團碳納米管負載酞菁鐵復合材料的制備方法及應用。該方法通過π-π堆積錨定的方法將酞菁鐵負載于碳納米管表面，并利用了可調控碳納米管表面的官能團在催化過程中形成氫鍵來穩定ORR反應中間體從而提高催化性能。本發明是一種新型的具有優異氧還原性能的復合電催化材料，可以實現高效催化高質量高電流密度的碳基氧還原催化材料的制備。

本發明的技術方案為：

一種可調官能團碳納米管負載酞菁鐵復合材料的制備方法，該方法包括如下步驟：

(1)將酞菁鐵加入到第一有機溶劑中，超聲分散10～60min，得到第一溶液；另外將功能化多壁碳納米管MNCNT-R加入到第二有機溶劑中，超聲分散10～60min，得到第二溶液；

其中，每20～50ml有機溶劑中加入0.01g～0.5g酞菁鐵；每20～50ml有機溶劑加入0.05g～5g功能化多壁碳納米管MNCNT-R；