铁基氮杂多孔碳材料的制备及其在锌空气电池中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种铁基氮杂多孔碳材料的制备及其在锌空气电池中的应用，包括如下步骤：(1)称取Zn(NO3)2·

【技术实现步骤摘要】
铁基氮杂多孔碳材料的制备及其在锌空气电池中的应用


[0001]本专利技术属于铁基氮杂多孔碳材料的制备及其应用领域，具体地，涉及一种铁基氮杂多孔碳材料的制备及其在锌空气电池中的应用。

技术介绍

[0002]由于能源危机与环境污染的日益加剧，发展可再生的清洁能源这项工作刻不容缓。在众多的可再生能源存储装置中，电化学能量转换和储存装置由于其更高的效率、清洁性和低成本供电而越来越受到青睐。在以氧气为原料的电化学
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能量转换和储存装置开发中氧还原反应(Oxidation
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Reduction Reaction，简记为ORR)是其中的关键电极过程。由于ORR的缓慢动力学，所以常采用铂(Pt)基催化剂加快反应进程，然而Pt的应用增加了ORR反应催化剂的成本并且Pt的稳定性较差。而在非贵金属基催化剂中，FeNCs由于其价格低廉、催化活性和稳定性好，有望取代燃料电池和金属
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空气电池中昂贵的铂基催化剂。因此，开发用于ORR的高活性、耐用、低成本的非贵金属电催化剂对于几种重要的能量转换和存储技术是不可或缺的。
[0003]其中基于具有高度分散的活性位点嵌入多孔碳基质中的金属有机骨架(MOF)的ORR催化剂，在利用金属有机框架ZIF
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8将N螯合铁与锌基咪唑分子筛骨架(ZIF
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)结合，通过高温热解过程将基体中的锌挥发脱除，形成合适的多孔结构，用于负载和分散Fe基活性中心制备性能优异的ORR催化剂近年来取得了一系列进展。例如2017年，Wang及其同事(J.Am.Chem.Soc.,2017,139(48):17281
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17284.)构建了一种嵌入氮掺杂多孔碳上的Fe
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Co双位点电催化剂，一种Zn/Co双金属MOF(BMOF)被用作主体，将FeCl3分子封装在空腔内。为了减轻源于ZIFs狭窄孔径的扩散阻力，采用了双溶剂的方法，将铁盐完全固定在MOF的孔隙内,该催化剂与商业Pt/C相比，具有可比较的起始电位(E
onset
,1.06vs.1.03V)和半波电位(E
1/2
,0.863vs.0.858V)；Chen等人(Angew.Chem.Int.Ed.,2017,56(24):6937
‑
6941.)以硝酸铁为铁源，通过笼状包裹的前驱体热解策略制备了具有优异ORR反应性的高度稳定的孤立单原子铁催化剂，该催化剂在碱性介质中表现出优越的ORR性能。同时该催化剂对在酸性介质中的ORR催化性能也很突出，其E
1/2
为0.791V，接近商业铂碳(Pt/C)，超过了大多数报道的非贵金属催化剂。此外，它还具有优异的耐甲醇性和电化学稳定性；2022年，Xue及其团队(Nano
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Micro Letters,2022,14(1):162.)借助金属有机框架作前驱体，制备了负载在氮掺杂多孔碳基底上的钴纳米颗粒和高分散铁催化剂，该课题组通过双溶剂法得到小尺寸的、均一分散的钴纳米颗粒。最后，在氩气条件下1000℃高温热解铁和钴掺杂的ZIF
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8得到CoNP@FeNC
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0.05催化剂；同年Dong课题组(Mater.Chem.Front.,2022,6,3213
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3224)制备了一种稳定的原子分散的Fe
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Nx基催化剂，该催化剂由碳纳米纤维(CNF)负载的沸石
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咪唑酯骨架(ZIF
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8)包裹的Fe
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Phen复合物((Fe,N)
‑
ZIF
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8/CNF)。(Fe,N)
‑
ZIF
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8/CNFs热解得到的Fe
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Nx
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CNFs表现出良好的分层多层结构。碳纳米纤维的天然网络结构作为基质均匀分布ZIF
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8颗粒，Fe
‑
Nx源自Fe
‑
Phen复合物的位点均匀分布在ZIF
‑
8颗粒中。它表现出优异的ORR性能，半波电位为0.875V(vs.RHE)，比商用Pt/C催化剂高55mV。
[0004]然而，即使是基于MOFs的铁基
‑
氮
‑
碳ORR催化剂，由于其没有足够的耐酸性的活性位点，目前为止该类催化剂在酸性条件下的ORR活性仍然明显低于Pt基催化剂。更重要的是，在实际的应用中铁基
‑
氮
‑
碳催化剂在稳定性方面的表现也差强人意。不稳定的主要原因包括碳载体的部分氧化和测试过程中Fe
‑
Nx活性位点金属的脱落。因此，研究用于ORR反应的耐酸性、高效稳定、原子利用率高且低成本的铁基
‑
氮
‑
碳电催化剂应用在可再生能源领域，是未来铁基
‑
氮
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碳催化剂所面临的挑战和机遇。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种铁基氮杂多孔碳材料的制备方法，并且提供了上述在酸性条件下表现出优异的ORR催化活性催化剂的制备方法。本专利技术基于主客体化学限域
‑
热解策略合成了一种具有铁、锌双原子/铁酸锌尖晶石纳米粒子共修饰的氮杂多孔(Fe,Zn/ZnFe2O4/NC)材料，通过铁基纳米粒子和紧密围绕的Fe
‑
Zn活性位点的协同作用，使得催化剂在酸性下表现出了优异的ORR活性以及较高的稳定性。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0007]铁基氮杂多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008](1)前驱体Fe(acac)3@ZIF
‑
8的合成：
[0009]称取Zn(NO3)2·
6H2O(六水合硝酸锌)和Fe(acac)3(三乙酰丙酮铁)溶解在无水甲醇中，并且通过超声处理该混合物，以形成溶液A；
[0010]称取2
‑
甲基咪唑溶解在无水甲醇中以产生澄清的溶液B；
[0011]然后，将上述两种溶液混合在一起，并在室温下搅拌6
‑
24小时，将所得沉淀物离心并用甲醇洗涤数次，真空干燥过夜，得到前驱体Fe(acac)3@ZIF
‑
8；
[0012](2)管式炉热处理：
[0013]将步骤(1)所得地前驱体研磨成均匀状粉末置于管式炉中，然后在流动的氮气条件下进行热处理，随后自然冷却至室温，得到所述铁基氮杂多孔碳材料。
[0014]进一步地，溶液A的制备过程中，超声处理时间为30分钟。
[0015]进一步地，所述Zn(NO3)2·
6H2O、Fe(acac)3和2
‑
甲基咪唑的用量比为6.6g:14.245g:13.1g。
[0016]进一步地，步骤(1)中真空干燥过夜的温度为5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.铁基氮杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)前驱体Fe(acac)3@ZIF
‑
8的合成：称取Zn(NO3)2·
6H2O和Fe(acac)3溶解在无水甲醇中，并且通过超声处理该混合物，以形成溶液A；称取2
‑
甲基咪唑溶解在无水甲醇中以产生澄清的溶液B；然后，将上述两种溶液混合在一起，在室温下搅拌6
‑
24小时，将所得沉淀物离心并用甲醇洗涤数次，真空干燥过夜，得到前驱体Fe(acac)3@ZIF
‑
8；(2)管式炉热处理：将步骤(1)所得的前驱体研磨成均匀状粉末置于管式炉中，然后在流动的氮气条件下进行热处理，随后自然冷却至室温，得到所述铁基氮杂多孔碳材料。2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶明富，王洁悦，吴孔林，詹林潇，李阳，童欣玥，王天然，张奎，方钰，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：