[發明專利]一種FeMn雙金屬單原子氧還原催化劑及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202011521861.6
• 申請日: 2020-12-21
• 公開（公告）號: CN112582628B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 余宇翔;李杰;蔣軍生
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B22F9/24
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

本發明公開了一種FeMn雙金屬單原子氧還原催化劑及其制備方法與應用。該制備方法包括如下步驟：將含氮碳基底、氮源、配體、造孔劑和金屬鹽在乙醇中分散，然后經蒸發干燥、研磨、煅燒得到多孔碳負載的FeMn雙金屬單原子氧還原催化劑。本發明所提供的氧還原電催化劑以非貴金屬Fe?Nx和Mn?Nx作為活性位點，其中鐵元素和錳元素都以單原子的形式均勻分布，有效提高了原子利用率，同時在氧還原反應中展現出了優異的催化活性和穩定性，對開發新型氧還原催化劑和燃料電池具有重要的理論和實際意義。

技術領域

本發明屬于氧還原催化劑領域，具體涉及一種FeMn雙金屬單原子氧還原催化劑及其制備方法與應用。

背景技術

近幾年能源危機問題受到世界各國的關注。燃料電池作為一種新型的能源轉換裝置在解決能源問題上占有重要的地位。然而，燃料電池的陰極氧還原反應動力學緩慢，需要貴金屬作為催化劑加快反應速率。這就嚴重阻礙了燃料電池的大規模應用。許多科學家利用貴金屬制備出出各種納米結構，利用貴金屬與價格便宜的過渡金屬組成合金或核殼結構等方法來降低貴金屬的使用量，但還是要大量的使用貴金屬。因此，急需開發出非貴金屬催化劑取代貴金屬成為優良的氧還原催化劑。

目前，含有過渡金屬Fe元素的氮摻雜碳材料Fe-N-C作為一種合適的非貴金屬氧還原催化劑出現在人們眼前。(Mun,Y.；Lee,S.；Kim,K.；Kim,S.；Lee,S.；Han,J.W.；Lee,J.,Versatile Strategy for Tuning ORR Activity of a Single Fe-N4 Site byControlling Electron-Withdrawing/Donating Properties of a Carbon Plane.J AmChem Soc 2019,141(15),6254-6262.)公開了一種Fe-N-C催化劑。該催化活性高，其中的鐵元素價格低廉且地球豐度高，因此，Fe-N-C氧還原催化劑對于非貴金屬基催化劑燃料電池的推廣應用具有十分重要的意義。但目前Fe-N-C催化劑想要大規模的商業化應用還有一個不足之處就在于其催化過程中穩定性較差。Fe-N-C催化劑在還原氧氣的過程中有部分發生2電子過程生成雙氧水，鐵會與雙氧水發生反應使Fe-N-C上的Fe溶解析出，最終Fe-N-C催化劑失活。因此開發出一種具有優良穩定性的Fe-N-C對于大規模推廣燃料電池的商業化應用具有重大價值與意義。

發明內容

為了克服現有技術存在的不足，本發明的目的是提供一種FeMn雙金屬單原子氧還原催化劑及其制備方法與應用。

本發明的目的至少通過如下技術方案之一實現。

本發明提供的FeMn雙金屬單原子氧還原催化劑的制備方法，包括如下步驟：

(1)將含氮碳基底、氮源、配體、金屬鹽及造孔劑加入乙醇中，分散均勻，得到分散液；

(2)將步驟(1)所述分散液進行油浴加熱蒸干處理，得到蒸干后的產物，將所述加熱后的產物進行干燥處理，研磨成粉末；

(3)將步驟(2)所述粉末進行煅燒處理，得到所述FeMn雙金屬單原子氧還原催化劑。

進一步地，步驟(1)所述含氮前驅體的制備，包括：

將科琴黑和三聚氰胺研磨均勻后，升溫進行煅燒處理，得到所述含氮碳基底。

進一步地，所述科琴黑和三聚氰胺的質量比為1:5-1:15；所述煅燒處理的溫度為700-900℃，煅燒處理的時間為1-3h，升溫的速率為2-5℃/min。

優選地，在步驟(1)所述含氮前驅體的制備過程中，煅燒處理的溫度為800℃，煅燒處理的時間為2h，升溫的速率為3℃/min。

進一步地，步驟(1)所述金屬鹽包括三價鐵鹽和二價錳鹽；所述金屬鹽與乙醇的摩爾體積比為1:100-1:200mmol/ml。