[發明專利]富氮多孔碳材料錨定金屬鐵電催化劑的制備方法

在審

• 申請號: 202011442566.1
• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN114628693A
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 朱俊武;畢佳寶;孫敬文;付永勝;代黎明;姚方磊;薛文康;鄧景耀
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 劉海霞

本發明公開了一種富氮多孔碳材料錨定金屬鐵電催化劑的制備方法。所述方法先通過二氰二胺和氰胺一鈉的加成反應來制備4,6?二氨基?1,3,5?三嗪?2?亞氨基鈉鹽，再利用4,6?二氨基?1,3,5?三嗪?2?亞氨基鈉鹽與三聚氰酸，然后加入鐵源，利用溶劑熱使得金屬鐵配位更完全，最后通過離心、水洗、凍干、封管退火處理、酸處理制得富氮多孔碳材料錨定金屬鐵電催化劑。本發明制備方法簡單，制得的富氮多孔碳材料錨定金屬鐵電催化劑具有良好的電化學性能，適用于電催化材料等領域。

技術領域

本發明涉及一種富氮多孔碳材料錨定金屬鐵電催化劑的制備方法，屬于納米材料制備領域。

背景技術

燃料電池PEMFCs的工作原理是將氫氣和氧氣具有的化學能轉化為電能，然后對外電路的負載做功。在電池的運行過程中，兩極均會偏離平衡電極電位，存在過電位，因此電催化劑對陽極氫氣的氧化和陰極氧氣的還原都有十分重要的作用。陰極的氧還原反應(ORR)發生多步質子耦合電子反應，機理比較復雜，ORR成為制約PEMFCs商業化應用的主要原因之一。在ORR反應過程中涉及2e^-和4e^-過程。在2e^-過程中(如下述路徑一所示)，首先是O₂被質子化生成*OOH，隨后生成的*OOH又被進一步質子化，最終生成H₂O₂。在4e^-過程中ORR被分成兩種路徑(如下述路徑二和路徑三所示)，若O₂先被質子化生成*OOH，隨后*OOH進一步被還原，并發生了O-O鍵的斷裂，生成*O和H₂O，吸附的*O隨后被質子和電子還原成*OH，最后*OH被還原生成第二分子H₂O，即為聯合路徑。若氧氣先發生O-O鍵的斷裂，生成兩個吸附態的*O，吸附態的*O進一步被質子化成*OH，最后，*OH被還原生成水，即為分解路徑。值得注意的是，ORR過程涉及到比較多的氧化物種中間體，從而造成ORR的機理較為復雜。此外，若發生2e^-過程生成最終產物H₂O₂，該過程O-O鍵未發生斷裂，氧氣利用率較低，因此該路徑會降低ORR的效率。

路徑一：

O₂+2(H⁺+e^-)→*OOH+(H⁺+e^-)→H₂O₂，

路徑二：

O₂+4(H⁺+e^-)→*OOH+3(H⁺+e^-)→*O+2(H⁺+e^-)+H₂O→*OH+(H⁺+e^-)+H₂O→2H₂O，

路徑三：

1/2O₂+2(H⁺+e^-)→*O+2(H⁺+e^-)→*OH+(H⁺+e^-)→H₂O。

目前，在陰極一側，由于ORR是一個動力學緩慢的過程，Pt的負載量高達0.4mg/cm²才能獲得較為理想的電池性能,然而，由于Pt催化劑成本高、易中毒極大地限制了燃料電池的商業化應用。所以，開發具有高效催化行為和商業可用的非貴金屬負載于碳材料吸引著學術研究人員大力研究，其作為替代Pt基催化劑的潛在非貴金屬催化劑，負載過渡金屬的氮配位(M-N-C，Metal＝Fe、Co、Ni、Cu、Mn等)復合物已經被廣泛應用。然而M-N-C材料目前還存在許多問題，比如制備流程較為復雜、成本較高、催化劑的活性位置暴露不足所導致ORR性能較差以及導電性差等。

發明內容