一种棒状Fe-N-C氧还原反应电催化剂的合成方法技术

本发明专利技术提供一种棒状Fe

【技术实现步骤摘要】
一种棒状Fe
‑
N
‑
C氧还原反应电催化剂的合成方法


[0001]本专利技术涉及一种具开放结构的棒状Fe
‑
N
‑
C氧还原反应电催化剂的合成方法，属于可持续能源


技术介绍

[0002]燃料电池和金属
‑
空气电池凭借比能量高、成本低、污染小等优点引起人们的研究兴趣。然而，受限于电池阴极处缓慢的氧还原反应，能量转换效率无法进一步提升。目前，商业化的Pt/C催化剂受价格高昂和较差的稳定性与耐甲醇毒性的影响，阻碍了其在上述设备中的应用。因此，发展低成本、高催化活性和良好稳定性的非贵金属基材料成为了当前的研究目标。其中，在氮掺杂碳基底上负载过渡金属基催化剂(M
‑
N
‑
C，M＝Fe,Co等)展现出较高的ORR催化活性与稳定性，成为了替代商业Pt/C的理想催化剂。
[0003]沸石咪唑框架材料(ZIF)是由金属阳离子(如Zn
2+
、Co
2+
等)和含N的有机连接物(如2
‑
甲基咪唑)组装而成的金属有机框架化合物，在能源储存与转化材料中被广泛用作前驱体模板和金属源。热解后形成的氮掺杂碳基底具有较大的比表面积，可以容纳大量的ORR活性位点。然而，传统ZIF衍生的催化剂多呈现菱形十二面体的形状，并以微孔结构为主，这导致它们的反应动力学缓慢，需进一步提升其ORR催化活性。研究表明，一维碳基底具有沿轴导通的电子通道，可以使电解质快速传输到暴露的活性位点，从而提高反应动力学。另外设计并制备具有开放结构的碳基底对于活性位点的暴露也非常重要。本专利提出一种简单的制备棒状ZIF
‑
8衍生的Fe
‑
N
‑
C氧还原催化剂的方法，其具有典型的开放结构，该催化剂负载大量分布均匀的Fe
‑
Nx活性位点，具有稳定的碳结构以及良好的导电性。与传统的菱形十二面体ZIF相比，一维棒状ZIF
‑
8热解后形成的碳纳米棒能显著提高电子传输效率。结果表明，棒状Fe
‑
N
‑
C可用作高效的氧还原反应催化剂，在碱性和酸性溶液中表现出良好的ORR催化活性、循环稳定性和耐甲醇毒性，所有性能都超过了商业Pt/C催化剂。所制备的棒状Fe
‑
N
‑
C在金属
‑
空气电池和氢氧燃料电池中具有广阔的应用前景。其作为阴极催化剂的锌
‑
空气电池具有较大的功率密度和比容量。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种经济环保、简单易行的棒状Fe
‑
N
‑
C氧还原反应电催化剂的合成方法，以克服传统电催化材料形态不规则、活性位点低、电子传输率低、活性中心分布不均匀等缺点。
[0005]为解决上述问题，本专利技术提供一种棒状Fe
‑
N
‑
C氧还原反应电催化剂的合成方法，该方法按以下步骤完成：
[0006]一、在搅拌条件下将0.5
‑
5g有机配合物和2
‑
20mg表面活性剂加入到去离子水中搅拌，然后将0.5
‑
5g锌盐加入到溶液中，继续搅拌反应1
‑
4h，得到白色悬浊溶液；
[0007]二、将步骤一制备的白色悬浊溶液进行固液分离，分离出的白色产物洗涤并放置于乙醇与N,N二甲基甲酰胺的混合溶剂中，在60
‑
90℃保温24
‑
72h；
[0008]三、将步骤二得到的溶液依次进行固液分离、洗涤，得到白色产物；
[0009]四、将步骤三得到的白色产物进行保护气氛900
‑
1100℃高温煅烧1
‑
3h，得到黑色产物；
[0010]五、将铁源和步骤四得到的黑色产物加入到有机溶剂中，在搅拌下浸渍；
[0011]六、将步骤五浸渍后的有机溶液进行固液分离、干燥，得到黑色反应产物；
[0012]七、将步骤六得到的黑色产物进行保护气氛600
‑
900℃高温煅烧2
‑
4h，得到棒状Fe
‑
N
‑
C氧还原反应电催化剂。
[0013]前述方法中，所述搅拌的搅拌速度均为500
‑
800rpm，步骤一中，所述有机配合物和表面活性剂加入到80mL去离子水中搅拌5
‑
20min；步骤一中所述的有机配合物为2
‑
甲基咪唑；步骤一中所述的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵；步骤一中所述的锌盐为六水合硝酸锌。
[0014]前述方法中，步骤二中所述的固液分离具体操作如下：采用高速离心方法对步骤一得到的悬浊溶液进行分离，得到固体沉淀；所述的洗涤具体操作如下：用去离子水洗涤1
‑
4次，再用N,N
‑
二甲基甲酰胺有机溶剂洗涤1
‑
3次，得到洗涤后固体沉淀；所述的混合溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺和无水乙醇的混合溶液，体积比1:1
‑
4:1；所述的保温具体操作如下：分离出的白色产物洗涤并放置于乙醇与N,N二甲基甲酰胺的混合溶剂中后，将混合有机溶液密封在玻璃瓶中，置于鼓风干燥箱中，并在60
‑
90℃下保温24
‑
72h。
[0015]前述方法中，步骤三中所述的固液分离具体操作如下：采用过滤方法对步骤二得到的混合有机溶液进行分离，得到固体沉淀；所述的洗涤具体操作如下：用无水乙醇洗涤1
‑
4次，得到洗涤后固体沉淀。
[0016]前述方法中，步骤四中所述的保护气氛为氩气保护；所使用的加热炉为管式炉，升温速率为5
‑
20℃/min。
[0017]前述方法中，将2
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20mg铁源和步骤四得到的100mg黑色产物加入到有机溶剂中，在搅拌下浸渍1
‑
3h，所述的铁源为九水合硝酸铁；步骤五中所述的有机溶剂为异丙醇。
[0018]前述方法中，步骤六中所述的固液分离具体操作如下：采用过滤方法对步骤五得到的有机溶液进行分离，得到固体沉淀；所述的干燥具体操作如下：将固体沉淀置于空气中，常温干燥1
‑
3h。
[0019]前述方法中，步骤七中所述的保护气氛为氩气保护；所使用的加热炉为管式炉，升温速率为5
‑
20℃/min。
[0020]本专利技术创新地制备了棒状ZIF
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8衍生的Fe
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N
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C氧还原催化剂的方法，该催化剂具有密集且分散的Fe
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Nx活性位点和稳定的碳结构。结果表明，Fe
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N
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C作为非贵金属电催化剂在金属<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种棒状Fe
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N
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C氧还原反应电催化剂的合成方法，其特征在于，该方法按以下步骤完成：一、在搅拌条件下将0.5
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5g有机配合物和2
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20mg表面活性剂加入到去离子水中搅拌，然后将0.5
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5g锌盐加入到溶液中，继续搅拌反应1
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4h，得到白色悬浊溶液；二、将步骤一制备的白色悬浊溶液进行固液分离，分离出的白色产物洗涤并放置于乙醇与N,N二甲基甲酰胺的混合溶剂中，在60
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90℃保温24
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72h；三、将步骤二得到的溶液依次进行固液分离、洗涤，得到白色产物；四、将步骤三得到的白色产物进行保护气氛900
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1100℃高温煅烧1
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3h，得到黑色产物；五、将铁源和步骤四得到的黑色产物加入到有机溶剂中，在搅拌下浸渍；六、将步骤五浸渍后的有机溶液进行固液分离、干燥，得到黑色反应产物；七、将步骤六得到的黑色产物进行保护气氛600
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900℃高温煅烧2
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4h，得到棒状Fe
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N
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C氧还原反应电催化剂。2.根据权利要求1所述的一种棒状Fe
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N
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C氧还原反应电催化剂的合成方法，其特征在于：所述搅拌的搅拌速度均为500
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800rpm，步骤一中，所述有机配合物和表面活性剂加入到80mL去离子水中搅拌5
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20min。3.根据权利要求1所述的一种棒状Fe
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N
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C氧还原反应电催化剂的合成方法，其特征在于：步骤五中，将2
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20mg铁源和步骤四得到的100mg黑色产物加入到有机溶剂中，在搅拌下浸渍1
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3h。4.根据权利要求1所述的一种棒状Fe
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N
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C氧还原反应电催化剂的合成方法，其特征在于：步骤一中所述的有机配合物为2
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甲基咪唑；步骤一中所述的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵；步骤一中所述的锌盐为六水合硝酸锌。5.根据权利要求1所述的一种棒状Fe
‑
N
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C氧还原反应电催化剂的合成方法，其特征在于，步骤二中所述的固液分离具体操作如下：采用高速离心方法对步骤一得到的悬浊溶液进行分离，得到固体沉淀。6.根据权利要求1所述的一种棒状Fe
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N
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C氧还原反应电催化剂的合成方法，其特征在于，步骤二中所述的洗涤具体操作如下：用去离子水洗涤1
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【专利技术属性】
技术研发人员：马飞翔，刘正奇，徐成彦，甄良，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：