[發明專利]一種鐵基氮磷共摻雜多孔碳氧還原催化劑的制備方法

有效

• 申請號: 202110328526.2
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113097510B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 康永剛;楊文武;閆鵬
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/94;H01M4/96;H01M4/88
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 華金

本發明涉及一種鐵基氮磷共摻雜多孔碳氧還原催化劑的制備方法，使尿素分子、葡萄糖分子和植酸分子在水溶液中自聚合，經過蒸干、干燥后，得到前驅體。前驅體在高溫碳化過程中，形成大量孔結構，同時也有少量的氮和磷留存下來。再使用分子自組裝的方式將酞菁鐵分子與氮磷共摻雜多孔碳材料復合，得到的材料仍為片狀形貌與多孔結構，但片狀結構中形成了磷化鐵納米顆粒?石墨碳核殼結構，多重活性位點和多孔性使得材料的ORR性能相比氮磷共摻雜多孔碳材料得到增強。本發明形成了碳殼包覆的核殼結構，增強了氧還原催化活性和耐久性；另外，該材料中還存在大量介孔，提升材料的氧還原能力，本方法制備簡便，操作簡單，易于推廣。

技術領域

本發明屬于燃料電池催化劑領域，特別涉及一種鐵基氮磷共摻雜多孔碳氧還原催化劑的制備方法。

背景技術

近年來，燃料電池作為綠色環保的能源備受研究人員關注，在可移動設備和航空航天領域得到廣泛應用。目前，以鉑為代表的貴金屬基催化劑占據燃料電池陰極氧還原催化劑市場絕大多數份額。該催化劑具有催化性能好、適應性強等特點，被廣泛接受。然而，其價格昂貴、穩定性差、儲量低，限制了它的商業化進程。因此，研究非貴金屬催化劑對燃料電池的發展具有重要意義。

過渡金屬基氮磷共摻雜碳材料屬于非貴金屬催化劑。當前已有若干非貴金屬催化劑被制備并應用于ORR(氧還原反應)領域，例如：

CN111987326A公開了一種非貴金屬氧還原催化劑的制備方法。采用過渡金屬堿式醋酸鹽、氮雜環類或羧酸類有機配體為反應物，加入一定量的溶劑和調節劑，在一定溫度下反應，獲得超細金屬—有機框架材料，經過一步碳化過程，獲得超細非貴金屬碳基催化劑。雖然制備出的催化劑有可觀的電化學性能，但其工藝復雜，反應時間長。

CN109786764A開了一種具有分級孔、氮硫雙摻雜非金屬碳基氧還原催化劑的制備方法。制備了一種氮、碳、硫分布均勻的有機聚合物，將其高溫煅燒后，制備出氮、硫雙摻雜型的分級孔碳材料。該材料具有分級孔結構、比表面積大、制備方法簡單，具有良好的穩定性。但該材料的氧還原性能較差，不利于電化學反應的進行。

因此采用簡單高效的工藝制備具有良好的電化學性能且穩定的非貴金屬催化劑成為亟待解決的問題。

發明內容

本發明解決的技術問題是：為了解決現有的非貴金屬催化劑存在的工藝復雜、穩定性差、電化學性能較低的缺陷，本發明提供了一種鐵基氮磷共摻雜多孔碳氧還原催化劑的制備方法。

本發明的技術方案是：一種鐵基氮磷共摻雜多孔碳氧還原催化劑的制備方法包括以下步驟：

步驟1：制備氮磷共摻雜納米片，包括以下子步驟：

步驟1.1：將尿素、無水葡萄糖和植酸置于去離子水中，攪拌均勻得到混合液體，其中尿素、無水葡萄糖、植酸與去離子水的質量比為1:0.1：0.32:10；

步驟1.2：將混合溶液烘干后進行高溫碳化處理，形成大量孔結構，得到氮磷共摻雜多孔碳材料，其中高溫碳化處理過程為：在氮氣氣氛下，以勻速升溫至所需溫度后進行保溫，再勻速降溫至所需溫度，隨后自由降溫至室溫；

步驟2：結合步驟1得到的氮磷共摻雜納米片，制備鐵基氮磷共摻雜納米片，包括以下步驟：

步驟2.1：將酞菁鐵置于無水乙醇中，所述酞菁鐵與無水乙醇的質量比為1:30；

步驟2.2：將步驟1得到的氮磷共摻雜納米片材料加入到步驟2.1得到的溶液中，形成混合液體，其中酞菁鐵與氮磷共摻雜納米片的質量比為1～10:250；

步驟2.3：將混合液體進行超聲后蒸干，之后進行干燥，得到鐵基氮磷共摻雜納米片；片狀結構中形成了磷化鐵納米顆粒-石墨碳核殼結構，具有多重活性位點和多孔性。