一种双功能氧电催化剂Fe-N-C/Fe3C及其制备方法技术

本发明专利技术属于氧电催化剂的制备技术领域，公开一种双功能氧电催化剂Fe

【技术实现步骤摘要】
一种双功能氧电催化剂Fe
‑
N
‑
C/Fe3C及其制备方法


[0001]本专利技术属于氧电催化剂的制备
，具体涉及一种双功能氧电催化剂Fe
‑
N
‑
C/Fe3C及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，可充电锌
‑
空气电池由于其高能量密度、安全环保、低成本及性能稳定而受到研究者的广泛关注。但是目前可充电锌
‑
空气电池在应用中依然面临严重的问题，例如能量转换效率低、长期循环稳定性差、充放电循环电流密度低等。氧电极的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）是许多此类系统的重要组成部分。然而，在氧电极上复杂的四电子转移过程中缓慢的动力学导致需要大的过电位，阻碍了这些反应的效率。目前，普遍认为铂(Pt)基材料是性能最佳的ORR催化剂，IrO2或者RuO2是性能最佳的OER催化剂。但由于贵金属资源短缺且成本较高而严重限制了其大规模的应用。因此，高效的双功能电催化剂对于降低ORR和OER过电位具有重要的实际应用价值。
[0003]近年来，高电催化活性的非贵金属催化剂都得到了广泛的关注，尤其铁氮共掺杂的碳纳米材料，这主要归功于过渡金属中心与氮原子配位形成的活性Fe
‑
N4‑
C单元。虽然这类材料在碱性环境中的ORR活性优异，但其OER活性仍然不够理想，需要较高的过电位，导致了Fe
‑
N4‑
C材料对两个反应的过电位差仍然较大。因此，制备高活性、价格低廉的双功能氧电催化剂，是实现金属空气电池大规模商业化的核心关键。

技术实现思路

[0004]为了避免单位点催化剂在双功能催化中的局限性，解决现有催化剂对OER和ORR两个反应之间过电位较高的问题，本专利技术的目的在于提供一种双功能氧电催化剂Fe
‑
N
‑
C/Fe3C及其制备方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种双功能氧电催化剂Fe
‑
N
‑
C/Fe3C，该催化剂为Fe
‑
N4‑
C和Fe3C的复合材料，Fe3C和Fe
‑
N4‑
C两物相的比例为0.6
‑
2.42。
[0006]较好地，Fe3C和Fe
‑
N4‑
C两物相的比例为1.05。
[0007]所述双功能氧电催化剂Fe
‑
N
‑
C/Fe3C的制备方法：将葡萄糖一水合物和硝酸铁九水合物溶解于水中，形成均匀的悬浮液；然后将碳点加入上述悬浮液中，混匀后蒸发除去水分，将获得的固体与氮化碳前驱体一起研磨，然后在保护气氛下750
‑
800 ℃热处理2
‑
2.5 h后，自然冷却至室温，即得双功能氧电催化剂Fe
‑
N
‑
C/Fe3C；其中原料用量配比为葡萄糖一水合物∶硝酸铁九水合物∶水∶碳点∶氮化碳前驱体=（0.25
‑
0.3）g∶（0.12
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0.22）g∶（30
‑
50）mL∶（0.4
‑
1）g∶（4.0
ꢀ‑
6.0）g。
[0008]较好地，葡萄糖一水合物∶硝酸铁九水合物∶水∶碳点∶氮化碳前驱体=0.3 g∶0.16 g∶30 mL∶0.8 g∶4.0 g。
[0009]较好地，所述氮化碳前驱体为双氰胺、尿素、缩二脲或三聚氰胺。
[0010]较好地，碳点直接以其固态粉末形式加入悬浮液，或者以其溶液形式加入悬浮液。
[0011]较好地，以2
‑
5 ℃/min的升温速率升温至热处理温度。
[0012]本专利技术的制备原理：将CDs（碳点）分散在含有葡萄糖和铁源的溶液中，在此过程中，葡萄糖分子作为螯合剂可以有效吸附Fe离子，然后通过含o官能团相互作用与CDs结合；然后将上述溶液得到的固体粉末，与氮化碳前驱体研磨混合后热解处理，在热解过程中，氮化碳前驱体衍生的石墨氮化碳分解释放出的含氮物种与Fe原子配位，并与CDs衍生的碳骨架结合形成Fe
‑
N4‑
C SACs；本专利技术设计的铁源用量，除了一部分与氮原子配位形成活性Fe
‑
N4‑
C配位结构之外，剩余部分与碳反应生成Fe3C，最终获得Fe
‑
N4‑
C/Fe3C复合材料，其中，Fe
‑
N4‑
C配体是ORR的主要活性中心，铁基纳米粒子的存在极大地增强了催化剂的OER活性。
[0013]有益效果：基于Fe3C和Fe
‑
N4‑
C的协同效应，本专利技术Fe
‑
N
‑
C/Fe3C复合电催化剂表现出优异的双功能性能，ORR和OER过程之间的电位差(
△
E)仅为0.668 V，明显低于大部分文献报道的双功能电催化剂。
附图说明
[0014]图1：实施例1
‑
3所得产物的室温
57
Fe M
ö
ssbauer光谱图。
[0015]图2：Fe
‑
N
‑
C/Fe3C
‑
op的Fe k边XANES光谱如图2所示，其中商用Fe箔、Fe2O3和FePc作为对照样品：（a）Fe k边XANES光谱，（b）归一化Fe k边FT
‑
EXAFS光谱，（c）Fe
‑
N
‑
C/Fe3C
‑
op在R空间的Fe k边EXAFS拟合曲线，(d)Fe
‑
N
‑
C/Fe3C
‑
op在k空间的Fe k边EXAFS拟合曲线。
[0016]图3：Fe
‑
N
‑
C/Fe3C
‑
op的k3加权Fe k边WT
‑
EXAFS等高线图。
[0017]图4：对比例1
‑
3所得产物的XRD图。
[0018]图5：对比例1
‑
3所得产物的TEM图。
[0019]图6：Fe
‑
N
‑
C SACs
‑
x（x=2.4、5.5和7.7）的ORR LSV曲线。
[0020]图7：Fe
‑
N
‑
C SACs
‑
x（x=2.4、5.5和7.7）的OER LSV曲线。
[0021]图8：Fe
‑
N
‑
C SAC
‑
7.7、Fe
‑
N
‑
C/Fe3C
‑
l、Fe...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双功能氧电催化剂Fe
‑
N
‑
C/Fe3C，其特征在于：该催化剂为Fe
‑
N4‑
C和Fe3C的复合材料，Fe3C和Fe
‑
N4‑
C两物相的比例为0.6
‑
2.42。2.如权利要求1所述的双功能氧电催化剂Fe
‑
N
‑
C/Fe3C，其特征在于：Fe3C和Fe
‑
N4‑
C两物相的比例为1.05。3.一种如权利要求1所述的双功能氧电催化剂Fe
‑
N
‑
C/Fe3C的制备方法，其特征在于：将葡萄糖一水合物和硝酸铁九水合物溶解于水中，形成均匀的悬浮液；然后将碳点加入上述悬浮液中，混匀后蒸发除去水分，将获得的固体与氮化碳前驱体一起研磨，然后在保护气氛下750
‑
800 ℃热处理2
‑
2.5 h后，自然冷却至室温，即得双功能氧电催化剂Fe
‑
N
‑
C/Fe3C；其中原料用量配比为葡萄糖一水合物∶硝酸铁九水合物∶水∶碳点∶氮化碳前驱体=...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢思宇，常江伟，张奇，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：