[發(fā)明專利]一種具有兩電子氧還原選擇性的單原子鐵碳電極制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210304781.8
• 申請日: 2022-03-23
• 公開（公告）號: CN114797922A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙紅穎;王子寧;趙國華
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟大學
• 主分類號: B01J27/22
• 分類號: B01J27/22;C02F1/461;C02F1/467;C02F1/72;C02F101/34;C02F101/38
• 代理公司: 北京挺立專利事務(wù)所(普通合伙) 11265
• 代理人: 余瑩

本發(fā)明屬于電極制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有兩電子氧還原選擇性的單原子鐵碳電極制備方法。本發(fā)明提供了一種鐵碳一體化電極，所述鐵碳一體化電極中單原子鐵質(zhì)量分數(shù)為0.1?0.5％，碳化鐵質(zhì)量分數(shù)為0.1?0.5％。本發(fā)明提供的鐵碳一體化電極兩電子選擇性高，催化活性高，制備方法簡單，具有良好的電化學穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電極制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有兩電子氧還原選擇性的單原子鐵碳電極制備方法。

背景技術(shù)

從經(jīng)濟和環(huán)境的角度來看，分子氧是一種理想的氧化劑，因為它豐富而且廉價。分子氧電催化還原技術(shù)是燃料電池技術(shù)的重要組成部分，在滿足環(huán)境友好型能源需求方面具有廣闊的前景。此外，選擇性兩電子(2e^-)氧還原反應(yīng)(ORR)能夠在溫和條件下連續(xù)原位生成H₂O₂。電化學產(chǎn)生的過氧化氫作為一種環(huán)境友好的氧化劑，能夠被額外添加的均相(二價鐵離子)或者異相(納米零價鐵、鐵氧化物、金屬合金等)芬頓試劑活化產(chǎn)生強氧化性的羥基自由基，即Huron-Dow過程的一種變體，被廣泛的應(yīng)用于環(huán)境修復、廢水處理等方面。鐵基催化劑具有活性高、儲量豐富、成本低等優(yōu)點，是分解H₂O₂生成HO·的理想催化劑。但是額外的添加化學試劑容易造成二次污染。因此，將鐵催化劑原位的生長在碳基電極中制備成一體化的鐵基碳電極可以進一步推進分子氧還原技術(shù)在水環(huán)境中當中的應(yīng)用。

然而，傳統(tǒng)的鐵基催化劑通常遵循四電子路徑(O₂+4H⁺+4e^-＝2H₂O)在氧還原過程當中生成水。例如：中國專利CN111952608A公開了一種單原子鐵氧還原催化劑的制備方法，以沸石咪唑材料Fe摻雜的ZIF-8為前驅(qū)體，向其中二次添加氮源，然后在惰性氣體氛圍下進行熱解，得到了一種具有四電子選擇性的單原子鐵催化劑。中國專利CN107346826B公開了一種利用g-C₃N₄為原料，加入表面活性劑、鐵源，經(jīng)過高溫熱解得到了單原子鐵分散的電催化劑，表現(xiàn)出了與鉑碳相當?shù)碾娀瘜W性能。

然而，現(xiàn)有技術(shù)中的鐵碳基催化劑多數(shù)氧還原反應(yīng)過程中兩電子選擇性低，難以實現(xiàn)從四電子到兩電子的選擇性調(diào)控，從而導致過氧化氫產(chǎn)率低，無法滿足水污染控制的需求。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的鐵碳基催化劑多數(shù)氧還原反應(yīng)過程中兩電子選擇性低，難以實現(xiàn)從四電子到兩電子的選擇性調(diào)控，從而導致過氧化氫產(chǎn)率低，無法滿足水污染控制需求的缺陷，從而提供一種氧還原反應(yīng)兩電子選擇性高的鐵碳一體化電極及其制備方法和應(yīng)用。

為此，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案，

本發(fā)明提供了一種具有兩電子氧還原選擇性的單原子鐵碳電極制備方法，包括以下步驟，

(1)將酚類有機物、醛類有機物、氮源、碳酸鈉、鐵氮前驅(qū)體和水進行混合、反應(yīng)、干燥，得到鐵碳一體化電極前驅(qū)體；

(2)將所述鐵碳一體化電極前驅(qū)體進行煅燒、酸化處理、烘干，得到鐵碳一體化電極。

可選的，所述酚類有機物為間苯二酚、領(lǐng)苯二酚、對苯二酚、苯酚中的一種或多種；

和/或，所述醛類有機物為甲醛、乙醛、丙醛中的一種或多種。

可選的，所述氮源為乙腈、尿素、雙氰胺、三聚氰胺中的一種或多種；

和/或，所述鐵氮前驅(qū)體為酞菁鐵、卟啉鐵、硫化酞菁鐵中的一種或多種。

可選的，所述酚類有機物、醛類有機物、氮源、鐵氮前驅(qū)體和碳酸鈉的質(zhì)量比為(30-45)：(45-55)：(1-5)：(1-7)：(0.001-0.05)。

可選的，所述酚類有機物和水的質(zhì)量比為1：(1.5-3.0)。