[發(fā)明專利]一種鐵氮共摻雜碳納米管氧還原催化劑、制備方法及應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110058411.6
• 申請(qǐng)日: 2021-01-16
• 公開（公告）號(hào): CN112751047A
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃慧慧;吳愛民;黃昊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/90
• 分類號(hào): H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 劉秋彤;梅洪玉

本發(fā)明屬于納米材料制備領(lǐng)域，提供了一種鐵氮共摻雜碳納米管氧還原催化劑、制備方法及應(yīng)用。發(fā)明采用廉價(jià)的鐵的氧化物、富含氮碳的氰胺類藥品為實(shí)驗(yàn)原材料，利用球磨法按照一定質(zhì)量比混合這些前驅(qū)體后在半封閉環(huán)境下于流動(dòng)惰性氣體氛圍下熱解，經(jīng)過酸洗純化干燥后得到了在堿性電解液中表現(xiàn)出很高的氧還原催化活性的鐵氮共摻雜碳納米管氧還原催化劑，材料可應(yīng)用于燃料電池及金屬?空氣電池領(lǐng)域。與以往鐵氮共摻雜碳基催化劑合成過程中需使用大量有機(jī)溶劑混勻鐵鹽及氮碳前驅(qū)體且需二次熱解的過程相比，該發(fā)明創(chuàng)新的以鐵的氧化物取代了鐵鹽，用簡(jiǎn)易的球磨法混合物料，用半封閉環(huán)境下的兩步熱解法實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)物有效的鐵氮共摻雜，減少了資源的浪費(fèi)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氧還原電催化材料制備領(lǐng)域，涉及一種鐵氮共摻雜碳納米管氧還原催化劑、制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)

氧還原反應(yīng)是燃料電池和金屬空氣電池等電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換裝置中非常關(guān)鍵的過程。但是由于動(dòng)力學(xué)的限制，氧還原反應(yīng)的發(fā)生較為困難，需要有合適的電催化劑才能保證這一過程的順利進(jìn)行。迄今為止，鉑基催化劑被認(rèn)為是催化活性最高的氧還原催化劑。然而，鉑基催化劑高昂的價(jià)格、有限的資源以及較差的穩(wěn)定性，使得它難以成為能夠廣泛應(yīng)用的氧還原催化劑。因此開發(fā)高效所謂非鉑基催化劑成為了人們的研究熱點(diǎn)。其中，鐵-氮-碳體系催化劑由于其成本低、催化活性和穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)，成為了科學(xué)家們的重點(diǎn)研究對(duì)象。目前，鐵-氮-碳體系催化劑通常采用鐵鹽、氰胺類含氮有機(jī)物前驅(qū)體和碳載體(如Vulcan XC-72,Ketjenblack,Black Pearls等)等原材料，然后通過熱解的辦法得到催化劑產(chǎn)物。目前現(xiàn)有的大多數(shù)工藝技術(shù)路線都存在一些原材料的浪費(fèi)、工藝流程不夠簡(jiǎn)單高效甚至不夠環(huán)保的問題。因此，通過開發(fā)和合理設(shè)計(jì)合成路線，選擇新的低成本鐵源、氮碳前驅(qū)體，優(yōu)化熱處理?xiàng)l件來(lái)實(shí)現(xiàn)高氧還原催化活性和耐用性催化劑的簡(jiǎn)單高效制備，對(duì)于燃料電池、金屬空氣電池等的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)單高效的鐵氮共摻雜碳納米管氧還原催化劑的制備方法，本發(fā)明采用成本低廉的鐵的氧化物、富含氮碳的氰胺類有機(jī)前驅(qū)體為原料，經(jīng)過簡(jiǎn)單混合和熱解即可制備得到在堿性電解質(zhì)中表現(xiàn)出良好的氧還原電催化活性和循環(huán)穩(wěn)定性的氧還原催化劑，在氧還原電催化及其相關(guān)電化學(xué)裝置領(lǐng)域具有重要的意義。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種鐵氮共摻雜碳納米管氧還原催化劑的制備方法，采用成本低廉的鐵氧化物、富含氮碳的氰胺類有機(jī)前驅(qū)體作為實(shí)驗(yàn)原材料。包含以下步驟：

S1:將鐵的氧化物、富含氮碳的氰胺類藥品通過球磨法按照一定的質(zhì)量比混合均勻得到前驅(qū)體粉末；

S2:將混合均勻的前驅(qū)體粉末置于熱解裝置中，使樣品在半封閉狀態(tài)下于流動(dòng)惰性氣體氛圍中在不同溫度下分兩步熱解，得到碳化后的黑色粉末；

S3:將黑色粉末樣品進(jìn)行酸洗純化，真空干燥后即可得到鐵氮共摻雜碳納米管氧還原催化劑。

進(jìn)一步的，步驟S1中，鐵的氧化物為三氧化二鐵、四氧化三鐵中的一種或組合；所述富含氮碳的氰胺類藥品包括三聚氰胺、雙氰胺、尿素等但不限于其中的任一種；所述氧化鐵、富含氮碳的氰胺類藥品的質(zhì)量比為1:(1～10)。

進(jìn)一步的，步驟S1中，采用球磨法混合物料時(shí)，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為100-300rpm/min，研磨時(shí)間為30-120min。

進(jìn)一步的，步驟S2中，熱解裝置中裝熱解樣品的瓷舟必須帶非密封蓋，保證熱解過程的半封閉氛圍；所述的惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤狻?/p>

進(jìn)一步的，步驟S2中，熱解過程的升溫速度為5-10℃/min，熱解第一階段為350-400℃保溫30min，熱解第二階段為700-900℃保溫1-3h，降至室溫后得到黑色粉末。