[發(fā)明專利]一種鐵鈷負(fù)載氮摻雜碳纖維自支撐膜催化劑的制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011279626.2
• 申請(qǐng)日: 2020-11-16
• 公開（公告）號(hào): CN112397733B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王蕾;張旭;宋玉宇;張欣欣
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 黑龍江大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/90
• 分類號(hào): H01M4/90;H01M12/06
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠(yuǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 張金珠

本發(fā)明公開了一種鐵鈷負(fù)載氮摻雜碳纖維自支撐膜催化劑的制備方法和應(yīng)用；屬于鋅空電池電極材料的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過同軸靜電紡絲技術(shù)合成了一種可替代商業(yè)Pt/C和RuO₂的三維網(wǎng)狀中空結(jié)構(gòu)的過渡金屬電催化劑，以該催化劑做為陰極的鋅?空氣電池具有較高的功率密度和穩(wěn)定性。本發(fā)明方法：將過渡金屬前驅(qū)體與碳源溶液混合分別得到外殼和內(nèi)核前驅(qū)體溶液，通過同軸靜電紡絲技術(shù)得到納米纖維前驅(qū)體，配位后熱處理。以本發(fā)明提供的鐵鈷負(fù)載氮摻雜碳纖維自支撐膜制備得到的電極材料具有優(yōu)異的氧電催化能力和功率密度。氧還原反應(yīng)的起始電位為0.96V，氧析出反應(yīng)在10mA·cm^?2電流密度條件下的電位為1.68V；所組裝的鋅空電池極限功率密度可達(dá)205mW·cm^?2。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電極材料的技術(shù)領(lǐng)域；具體涉及一種具體涉及一種鐵鈷負(fù)載自支撐碳納米纖維(Fe/Co-N-C)氧電催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求也在日益增加。但由于受到地球上一次能源儲(chǔ)量和其非環(huán)保等制約因素，超級(jí)電容器、燃料電池、金屬離子電池和金屬空氣電池等高效清潔的二次儲(chǔ)能設(shè)備的開發(fā)和利用顯得極為重要。貴金屬(Pt)及其氧化物(IrO₂、RuO₂)由于其優(yōu)異的ORR、OER活性而受到廣泛關(guān)注。然而，貴金屬成本高昂、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、抗甲醇中毒能力差等因素嚴(yán)重限制了其商業(yè)應(yīng)用。因此，極有必要設(shè)計(jì)和開發(fā)出一種高效穩(wěn)定的非貴金屬催化劑來滿足商業(yè)化應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的通過同軸靜電紡絲技術(shù)制備出了具有中空結(jié)構(gòu)的鐵鈷負(fù)載氮摻雜碳纖維自支撐膜催化劑，具有三維網(wǎng)狀中空結(jié)構(gòu)，進(jìn)而快速傳質(zhì)和電子轉(zhuǎn)移。本發(fā)明的催化劑不僅具有優(yōu)異的ORR/OER性能，而且作為鋅空電池的陰極材料還可提供較高的功率密度和穩(wěn)定性。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種鐵鈷負(fù)載氮摻雜碳纖維自支撐膜催化劑的制備方法是按下述步驟進(jìn)行的：

步驟一、將殼層碳源聚合物溶解于有機(jī)溶劑中，然后加入有機(jī)鈷鹽，攪拌至完全溶解，得到殼層溶液；

步驟二、將核層碳源聚合物溶解于有機(jī)溶劑中，然后加入無機(jī)鐵鹽，攪拌至完全溶解，得到核層溶液；

步驟三、將步驟一獲得的殼層溶液和步驟二獲得的核層溶液分別注入同軸靜電紡絲裝置的兩個(gè)溶液通道，調(diào)節(jié)同軸靜電紡絲參數(shù)進(jìn)行靜電紡絲，得到納米纖維前驅(qū)體；

步驟四、將步驟三獲得的納米纖維前驅(qū)體加到配合物溶液中，發(fā)生配位反應(yīng)，之后經(jīng)過真空干燥，在空氣氣氛下預(yù)氧化，再在氮?dú)夂蜌鍤饣旌蠚夥栈虬睔夂蜌鍤饣旌蠚夥障聼崽幚淼冗^程，得到鐵鈷負(fù)載氮摻雜碳纖維自支撐膜。

進(jìn)一步地限定，步驟一中殼層碳源聚合物為聚丙烯腈或聚偏氟乙烯。

進(jìn)一步地限定，步驟一中殼層碳源聚合物與有機(jī)溶劑的質(zhì)量比為1:(5～50)；優(yōu)選為1:(5～25)，更優(yōu)選為1:(5～20)。

進(jìn)一步地限定，步驟一中有機(jī)鈷鹽與殼層碳源聚合物的質(zhì)量比為1:(2～30)，優(yōu)選為1:(2～25)，更優(yōu)選為1:(2～15)。

進(jìn)一步地限定，步驟二中核層碳源聚合物與有機(jī)溶劑的質(zhì)量比為1:(5～50)，優(yōu)選為1:(2～25)，更優(yōu)選為1:(2～10)。

進(jìn)一步限定，步驟二中無機(jī)鐵鹽與核層碳源聚合物的質(zhì)量比為1:(5～25)，優(yōu)選為1:(5～15)。

進(jìn)一步限定，步驟一的殼層碳源聚合物與步驟二核層碳源聚合物的摩爾比為1:(1～10)

進(jìn)一步地限定，步驟二核層碳源聚合物為聚乙烯吡咯烷酮或聚甲基丙烯酸甲酯。