[發(fā)明專利]N、P共摻雜多孔碳納米片負(fù)載FeCo空心納米球的雙功能電催化劑及其制備方法與應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211573399.3
• 申請(qǐng)日: 2022-12-08
• 公開（公告）號(hào): CN115881982A
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余宇翔;吳杭翼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/88
• 分類號(hào): H01M4/88;H01M4/90;H01M12/06;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 江裕強(qiáng)

本發(fā)明公開了N、P共摻雜多孔碳納米片負(fù)載FeCo空心納米球的雙功能電催化劑及其制備方法與應(yīng)用。該制備方法為通過研磨混合，高溫?zé)峤庵苽涑龅獡诫s的碳材料。再將Pluronic F?127、氮摻雜的碳材料、硝酸鐵、硝酸鈷、三聚氰胺和鄰苯二胺加入乙醇溶液中進(jìn)行混合超聲和攪拌，反應(yīng)后經(jīng)過蒸干、高溫?zé)峤庖约按蝸喠姿徕c磷化等步驟，得到N、P共摻雜多孔碳納米片負(fù)載FeCo空心納米球的雙功能電催化劑。該催化劑可在電催化氧還原反應(yīng)和析氧反應(yīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，在液態(tài)鋅?空氣電池中可以得到應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及N、P共摻雜多孔碳納米片負(fù)載FeCo空心納米球的雙功能電催化劑及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

能源問題是目前我們?nèi)祟愗酱鉀Q的重大問題之一，將各種新能源轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存起來(lái)是目前常用的能源儲(chǔ)存方法。金屬空氣電池是一種具有很大潛力的化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備，鋅-空氣電池作為金屬空氣電池之一，其具有比鋰離子電池更高的理論能量密度，有望成為新一代的化學(xué)電源。鋅-空氣電池陽(yáng)極由高純度的鋅板或鋅箔組成，陰極材料由集流層、氣體擴(kuò)散層和催化層組成，其空氣陰極上會(huì)發(fā)生氧還原(ORR)和析氧反應(yīng)(OER)。空氣陰極上的氧還原和析氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率緩慢，所以鋅-空氣電池需要采用貴金屬如Pt、Ru和Ir等進(jìn)行催化反應(yīng)，但貴金屬成本昂貴，限制了鋅-空氣電池大規(guī)模的使用。過渡金屬為代表的非貴金屬催化劑如Fe、Ni、Mn、Co、Cu和Mo等儲(chǔ)量豐富且成本低，其催化活性與貴金屬催化劑相接近，并且比貴金屬催化劑擁有更高的耐腐蝕性、抗甲醇毒化性以及穩(wěn)定性。因此，有必要研發(fā)出低成本且催化高效的雙功能過渡金屬電催化劑來(lái)替代貴金屬催化劑。

金屬-氮-碳材料被普遍認(rèn)為是ORR性能良好的催化劑，通過形成金屬和氮的配位可以顯著提升電催化性能。例如Fe-N-C材料基于其形成的Fe-N配位結(jié)構(gòu)可以在ORR中表現(xiàn)出極其優(yōu)異的催化性能，優(yōu)于商業(yè)的Pt/C催化劑。但是目前文獻(xiàn)報(bào)道的大所數(shù)Fe-N-C類材料的OER催化效率并不是那么令人滿意，而過渡金屬合金(如FeCo和FeNi合金等)可以表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR/OER性能。中國(guó)專利申請(qǐng)鎳鐵合金/氮摻雜碳纖維作為鋅空氣電池氧電催化劑的制備及應(yīng)用公開了一種鎳鐵合金納米顆粒負(fù)載在氮摻雜碳纖維上的雙功能催化劑材料，其表現(xiàn)出不錯(cuò)的ORR/OER性能，但是其制備方法需要利用強(qiáng)堿刻蝕原材料，并需要精確調(diào)節(jié)氫氧化鉀濃度，再通過水熱法和高溫?zé)峤夥ú拍艿玫阶罱K的催化劑材料，整體制備條件比較復(fù)雜。因此開發(fā)更簡(jiǎn)單高效，安全環(huán)保的方法用于制備過渡金屬合金類雙功能電催化劑仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

催化劑的中疏松多孔的結(jié)構(gòu)有利于氧氣的吸附和電化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，能夠?yàn)殡娮拥目焖贁U(kuò)散提供有效的傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，有利于形成了更多的催化反應(yīng)活性位點(diǎn)，提高雙功能電催化效率。中國(guó)專利申請(qǐng)一種雙功能催化材料及其制備方法與應(yīng)用報(bào)道了一種通過NaCl作為模板制造多孔結(jié)構(gòu)的一種方法，該方法能夠制造出大孔、介孔、微孔的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，有利于催化劑性能，但其制備方法需要在1000℃甚至更高的溫度下進(jìn)行，還需要用無(wú)機(jī)酸去除模板，環(huán)境不友好且危險(xiǎn)。所以開發(fā)更簡(jiǎn)單安全高效的方法制備疏松多孔的ORR/OER雙功能電催化劑更有利于鋅-空氣電池的大規(guī)模發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

基于現(xiàn)有的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供N、P共摻雜多孔碳納米片負(fù)載FeCo空心納米球的雙功能電催化劑及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明所提供的方法具有安全性高、成本低、簡(jiǎn)單易操作、綠色環(huán)保和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明提供N、P共摻雜多孔碳納米片負(fù)載FeCo空心納米球的雙功能電催化劑的制備方法，包括以下步驟：

(1)氮摻雜的碳材料的制備：將購(gòu)買的科琴黑和三聚氰胺進(jìn)行研磨混合，在管式爐中進(jìn)行高溫煅燒得到氮摻雜的碳材料(NC)。