[發明專利]一種鐵摻雜ZIF8與Ce基金屬有機框架復合電催化劑及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202011279300.X
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112349916B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 宋玉江;邱晨曦
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;H01M8/126
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 周媛媛;李馨

本發明公開了一種鐵摻雜ZIF8與Ce基金屬有機框架復合電催化劑及其制備方法與應用，屬于聚合物電解質膜燃料電池領域。將Ce前驅體溶解在水中，配體溶解在乙醇中，兩溶液混合后反應，得到Ce基金屬有機框架。加入到含有一定量表面活性劑的乙醇中，反應后得到功能化的Ce基金屬有機框架。進一步與鐵前驅體及硝酸鋅分散在甲醇中，與含2?甲基咪唑的甲醇混合，攪拌反應、熱處理得鐵摻雜ZIF8與Ce基金屬有機框架復合電催化劑。本發明制得的形貌獨特的雙金屬有機框架復合電催化劑，通過氧化鈰與Fe?N?C及N?C結構之間的作用，使得電催化劑的活性及耐久性得到有效提高。所述鐵摻雜ZIF8與Ce基金屬有機框架復合電催化劑具有高氧還原活性，可應用于聚合物電解質膜燃料電池。

技術領域

本發明屬于聚合物電解質膜燃料電池領域，具體涉及一種鐵摻雜ZIF8與Ce基金屬有機框架復合電催化劑及其制備方法與應用。

背景技術

如今廣泛使用的化石燃料正面臨污染嚴重、效率低以及原材料短缺等問題，而聚合物電解質膜燃料電池作為一種清潔能源技術，它實際上是一種能將燃料中的化學能直接轉化為電能的能量轉化裝置，具有高能量密度、高效率、環境友好等優點，已受到世界各國的高度重視。與陽極氫氧化反應相比，陰極氧還原反應動力學是限制燃料電池能量轉化效率、成本和穩定性的主要因素之一。目前，陰極氧還原反應主要使用貴金屬鉑進行催化，鉑的成本高且儲量低，長期以來一直制約著燃料電池的發展。非貴金屬電催化劑具有成本低、原材料來源豐富等特點，被認為未來可以取代貴金屬鉑，因此非貴金屬材料鐵摻雜ZIF8與Ce基金屬有機框架復合電催化劑的研究就變得很有意義和價值。

據報道，單一的鐵摻雜ZIF8或Ce基金屬有機框架材料均具有一定氧還原催化活性，而二者的復合材料還鮮有報道，更沒有關于其催化性能的研究。

2017年，Yu Yu等人(Yu Yu,et al.Journal of Materials Chemistry A,2017,5,6656)將氧化鈰擔載在石墨烯層上，制備了三明治結構的納米復合催化劑，首次發現了氧化鈰的氧還原催化能力，在堿性條件下，其半波電位可達0.81V(vs.RHE)，與商業Pt/C催化劑接近。

2018年，Wei Xia等人(Wei Xia,et al.Chemical Communications，2017,54,1623)通過共配位的方法，將鈰、鈷離子與二甲基咪唑配位，得到Ce摻雜的ZIF67材料，其半波電位達0.83V(vs.RHE)，同時經過1000圈耐久性測試其性能并未發生顯著降低。

2017年，Yuanjun Chen等人(Yuanjun Chen et al.Angewandte ChemieInternational Edition，2017,56,6937-6947)通過限域作用，將Fe前驅體封裝在ZIF8的框架中，熱解后得到了單原子分散的Fe-N-C電催化劑，表現出優異的氧還原活性和耐久性，其性能遠超商業Pt/C催化劑。

上述的研究都是關于單一的鐵摻雜ZIF8或Ce基金屬有機框架組分的研究，雖然對于各單一組分均有一定氧還原活性，但由于在Ce基金屬有機框架表面較難原位生長ZIF8，尚無將二者復合的研究，同時由于缺乏二者的協同作用，電催化劑的活性和耐久性還有待于進一步提高。

發明內容

本發明通過將鐵摻雜的ZIF8原位生長在功能化的Ce基金屬有機框架表面，構建了氧化鈰/鐵-氮-碳界面，有效提升兩組分的協同作用，具有高的氧還原反應催化活性，在堿性條件下半波電位相比商業的Pt/C催化劑正移42mV，同時經過10000圈耐久性測試半波電位無明顯降低。

本發明的目的在于提供一種鐵摻雜ZIF8與Ce基金屬有機框架復合電催化劑的制備方法，該方法原料易得、易于控制、環境友好、條件溫和，得到的鐵摻雜ZIF8與Ce基金屬有機框架復合電催化劑形貌獨特，同時具有很高的氧還原催化活性。

一種鐵摻雜ZIF8與Ce基金屬有機框架復合電催化劑的制備方法，包括如下步驟：