[發明專利]一種Fe、Co共摻雜類海膽結構空心碳球電催化劑及其制備方法

在審

• 申請號: 202110765807.4
• 申請日: 2021-07-05
• 公開（公告）號: CN113522368A
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 金天旭;陳廣凱;趙淑芝;楊小萍;馬貴平
• 申請（專利權）人: 北京化工大學常州先進材料研究院
• 主分類號: B01J35/08
• 分類號: B01J35/08;B01J23/75;C25B1/04;C25B11/091;H01M4/90
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本發明公開了一種Fe、Co共摻雜類海膽結構空心碳球電催化劑及其制備方法，其包括制備單分散的聚苯乙烯微球模板，在其上通過FeCl₃·6H₂O構建氧化體系原位生長聚苯胺，吸附Co²⁺后混合三聚氰胺，高溫碳化過程利用高溫刻蝕掉聚苯乙烯模板并將聚苯胺層碳化，同時通過吸附的金屬引導生長碳納米管，并還原金屬元素形成納米合金，從而制備Fe、Co共摻雜的碳基催化劑，同時形成高比表面積的類海膽結構。本發明的優勢在于制備方法簡單，成本低廉，催化劑形貌構建方法巧妙、比表面積大，催化劑的催化性能高效、化學穩定性好；此外，本發明綠色環保，利用非貴金屬取代貴金屬應用于生產，在新能源領域有著重要應用價值。

技術領域

本發明屬于能源技術領域，具體涉及一種Fe、Co共摻雜類海膽結構空心碳球電催化劑及其制備方法。

背景技術

傳統化石能源的大規模應用給人類社會發展造成巨大阻力，其帶來的環境污染問題，以及其不可再生的性質所造成的能源危機已經形成嚴重的威脅，因此尋找新型綠色、清潔、可再生能源以替代傳統化石能源成為當前熱門的研究方向之一。金屬-空氣電池作為一種新型能源載體，因其具有綠色環保、能量密度大、成本低廉、安全性好等優點而被廣泛關注，而制約其發展的原因在于其陰極發生的氧還原反應速率較低，因而使用電催化劑以加快其反應速率，從而提高電池性能。目前常用的電催化劑為貴金屬基催化劑，例如Pt-C催化劑。而貴金屬基催化劑的高昂成本以及貴金屬的資源稀缺不利于其發展以及大規模的商業化應用，因此，尋找高效的非貴金屬基催化劑以替代貴金屬基催化劑是未來的發展方向之一。

氫能源作為諸多能源系統中理想的能源物質可持續替代品，具有綠色安全、能量密度高、能量集中、適用范圍廣等顯著優點。但其傳統的制備方法如甲烷蒸汽重整等嚴重依賴化石能源，并不能很好的解決化石能源帶來的問題。電化學水裂解產氫技術的驅動能可來自于太陽能、水能等可持續再生能源產生的電能，并且該方法制備原料為水，燃燒產物也是水，很好的解決了化石能源帶來的問題，此外，該方法制備的氫純度高，安全性好，因此，電化學水裂解產氫技術有著重要的研究意義。而其制約因素在于其陰極上緩慢的析氫反應速率，為解決這一問題，目前常用的催化劑為貴金屬基催化劑，而其高成本、資源短缺的問題不利于其未來的發展以及大規模的商業化應用，因此，尋找高效的非貴金屬基催化劑以替代貴金屬基催化劑是未來的研究方向之一。

空心核殼球因其具有比表面積大、密度小、形貌尺寸可控、摻雜元素負載量高等優點而被廣泛研究?？招暮藲で蜻@種獨特的結構特點也使其被廣泛應用于污染處理、光催化、生物醫療、超級電容器、燃料電池、電磁屏蔽等領域?？招暮藲で蚪Y構有多種制備方法，包括硬模板法、軟模板法、無模板法等，其中，硬模板法應用最為廣泛，工藝最為成熟。而在空心核殼球上進行進一步修飾，可以進一步提高材料的比表面積，從而使得催化劑擁有更多催化位點，并且在催化過程中，這種修飾使得更多的催化位點能夠暴露在溶液環境中，從而提高其催化效率。

發明內容

為了解決技術中存在的問題，本發明提供一種Fe、Co共摻雜類海膽結構空心碳球電催化劑及其制備方法。具體是利用聚苯乙烯微球作為模板，通過FeCl₃·6H₂O構建氧化體系，在聚苯乙烯微球表面原位生長聚苯胺層的同時達到Fe元素摻雜的目的。在吸附Co元素并混合三聚氰胺后，通過一定的碳化工藝，刻蝕聚苯乙烯微球，造成空心結構并在碳層造孔；此外，三聚氰胺在高溫下分解，受到聚苯胺吸附的Fe、Co引導，在碳層表面生長出碳納米管，并且Fe、Co在碳化過程中形成納米合金，從而制備Fe、Co共摻雜類海膽結構空心碳球電催化劑。

本發明采用的技術方案如下：

(1)取苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮溶解于去離子水中，倒入三口燒瓶中機械攪拌，期間持續通入高純氮氣排除空氣，然后加入過硫酸鉀水溶液并升溫，加熱回流。將得到的乳液離心，收集乳液。