[發(fā)明專(zhuān)利]一種多孔Fe-N-C氧還原催化劑及其制備方法和應(yīng)用

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210663025.4
• 申請(qǐng)日: 2022-06-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114883587A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄧怡杰;張杰;吳昊陽(yáng);李孟威;侯三英
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南華大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/90
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/90;H01M4/86;H01M8/1007;H01M8/1018
• 代理公司: 衡陽(yáng)雁城專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙) 43231
• 代理人: 龍騰

一種多孔Fe?N?C氧還原催化劑及其制備方法和應(yīng)用，涉及氧還原催化劑材料技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明以適量間苯二胺作為碳源和氮源、乙酰丙酮鐵為鐵源、三聚氰胺為刻蝕劑及摻氮?jiǎng)?、過(guò)硫酸銨為引發(fā)劑，先將各組分研磨混合均勻，再采用固相合成法得到前驅(qū)體，之后將前驅(qū)體在保護(hù)氣氛下高溫碳化處理，進(jìn)而得到多孔Fe?N?C氧還原催化劑。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明制備多孔Fe?N?C氧還原催化劑的過(guò)程簡(jiǎn)易、無(wú)需模板劑且所用原料成本相對(duì)低廉，無(wú)廢液產(chǎn)生、更綠色環(huán)保，易于大批量生產(chǎn)，通過(guò)上述方法制備得到的多孔氧還原催化劑具有較大的比表面積以及大量的活性位點(diǎn)，該催化劑在堿性電解液中的半波電勢(shì)比商用20wt％Pt/C更高，展現(xiàn)出了優(yōu)異的ORR性能，工業(yè)應(yīng)用前景廣闊。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氧還原催化劑材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多孔Fe-N-C氧還原催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）技術(shù)因其能量轉(zhuǎn)換效率高、排放無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是最具前景的清潔能源利用技術(shù)之一。然而，陰極側(cè)緩慢的氧還原反應(yīng)常需大量的貴金屬鉑基催化劑，致使其電堆成本高昂，阻礙了燃料電池技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉、高活性和穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑對(duì)加快燃料電池商業(yè)化推廣意義重大。

現(xiàn)有研究成果中，Peng等以苯胺，三聚氰胺、FeCl₃為前驅(qū)體，0.75M HCl溶液為溶劑，經(jīng)聚合、蒸干、高溫分解、酸洗得到一系列類(lèi)石墨烯Fe-N-C催化劑，該催化劑在酸性介質(zhì)中展現(xiàn)出與20wt％的商業(yè)Pt/C相近的ORR活性（Scientific reports, 2013, 3(1): 1-7.）。Li等以葡萄糖、苯胺、為前驅(qū)體，SiO₂為模板劑，氯化鐵為鐵源，稀鹽酸水溶液為溶劑，經(jīng)低溫聚合、100攝氏度烘干、高溫?zé)崃呀狻?M NaOH去除SiO₂模板，得到一種Fe/FeC_x@NC-800_-0.5碳基催化劑，該催化劑在堿性介質(zhì)具有比商業(yè)化Pt/C更優(yōu)的ORR性能（International Journal of Hydrogen Energy, 2018, 43(3): 1386-1395.）。此外,中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN112582628A公開(kāi)了以乙醇為溶劑，將含氮碳基底、氮源、配體、造孔劑、三價(jià)鐵鹽和二價(jià)錳鹽加入乙醇中超聲分散得到分散液，將分散液油浴加熱蒸干處理后再研磨成粉，粉末中加入NaCl作為模板劑進(jìn)行煅燒處理，兩步煅燒后洗去NaCl,得到FeMn雙金屬單原子氧還原催化劑。盡管這些催化劑展現(xiàn)出了較為優(yōu)異的ORR性能，然而制備過(guò)程中單體聚合常需使用大量溶劑，造成環(huán)境污染以及生產(chǎn)成本的劇增，因此難以大批量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種高性能多孔Fe-N-C氧還原催化劑的綠色制備方法，該方法使得制備過(guò)程簡(jiǎn)易、無(wú)廢水產(chǎn)生、對(duì)環(huán)境友好且成本低廉。

具體而言，本發(fā)明是以間苯二胺作為碳源和氮源、乙酰丙酮鐵為鐵源、三聚氰胺為刻蝕劑及摻氮?jiǎng)⑦^(guò)硫酸銨為引發(fā)劑，先將各組分研磨混合均勻，再采用固相合成法得到前驅(qū)體，之后將前驅(qū)體在保護(hù)氣氛下高溫碳化處理，進(jìn)而得到多孔Fe-N-C氧還原催化劑。

其中，所述固相合成法的反應(yīng)溫度為45℃～55℃，反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)為2.5h～4h。

于本發(fā)明一實(shí)施例中，高溫碳化處理時(shí)，以3℃～8℃/min的速率升溫至850℃～950℃，再保溫1.5h～3h。進(jìn)一步地，高溫碳化處理后以5℃/min的速率降溫至500℃左右，再自然冷卻。

其中，所述間苯二胺、三聚氰胺、乙酰丙酮鐵及過(guò)硫酸銨的質(zhì)量比為（0.25～0.35）：（1.6～2.8）：（0.28～0.38）：（0.28～0.38）。

優(yōu)選地，所述間苯二胺、三聚氰胺、乙酰丙酮鐵及過(guò)硫酸銨的質(zhì)量比為0.3：1.8：0.3：0.3。