【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电池，特别是涉及一种有序分级多孔fe-n-c氧还原催化剂、制备方法及其应用。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池因其能量转化效率高、清洁无污染等优点，被视为最有前景的发电技术之一，但燃料电池阴极氧还原反应(orr)迟缓的动力学和价格昂贵、储量稀少的铂基电催化剂严重制约了燃料电池的大规模应用。
2、过渡金属和氮共掺杂的碳基催化剂(m-n-c，m＝fe、co、mn)在酸性介质中已表现出良好的氧还原催化活性，但其应用于燃料电池中的性能与寿命仍无法满足实际应用的需求。由于单原子分散的过渡金属的掺杂含量较低，导致活性中心密度低，并且由于一部分活性位点被包覆于碳层内部，无法与氧气接触，导致活性位点利用率低，在实际应用中不得不提高催化剂载量以弥补活性的不足，但这会进一步导致膜电极催化层的厚度增加，传质距离增大，不仅会增大燃料电池内阻，制约电池性能，还会阻碍传质，并导致催化层水淹，加速电池性能衰减。此外，燃料电池运行过程中阴极产生的腐蚀性·oh自由基和高电位、强酸性的工作环境会导致碳基底腐蚀和金属溶出，这也是m-n-c催化剂在燃料电池中耐久性不足的主要原因之一。
3、因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
技术实现思路
1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种有序分级多孔fe-n-c氧还原催化剂、制备方法及其应用，用于解决现有技术中m-n-c催化剂活性中心密度低、活性位点利用率低的问题，以及m-n-c催化剂在实际燃料电池中因传
2、为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种有序分级多孔fe-n-c氧还原催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
3、s1、将表面浸润前驱体溶液的模板充分干燥后，加入含有催化剂的甲醇中进行反应，得到包覆模板的zif-8；其中，所述前驱体溶液包括zn2+、第一含氮有机配体和溶剂，所述模板为有序排列的纳米微球；
4、s2、将所述包覆模板的zif-8在保护气氛下进行预碳化处理，得到zif-8；
5、s3、将所述zif-8与第二含氮有机配体均匀混合后，在保护气氛下进行高温碳化处理，得到氮掺杂碳载体；
6、s4、将所述氮掺杂碳载体与金属前驱体在保护气氛下进行高温活化处理，得到有序分级多孔fe-n-c氧还原催化剂。
7、优选地，步骤s1中所述第一含氮有机配体为2-甲基咪唑。
8、优选地，步骤s1中所述溶剂为甲醇、n,n-二甲基甲酰胺中的一种或组合。
9、优选地，在步骤s1中的所述前驱体溶液中，zn2+的浓度为0.5～1.5mol/l。
10、优选地，在步骤s1中的所述前驱体溶液中，zn2+与所述第一含氮有机配体的物质的量之比为1:(3～5)。
11、优选地，步骤s1中所述甲醇与所述催化剂的体积比为1:(0.5～2)。
12、优选地，步骤s1中所述催化剂为质量浓度为25wt％的氨水溶液。
13、优选地，步骤s1中所述模板的制备方法包括：将纳米微球分散于水中，通过离心沉降或抽滤使得纳米微球有序堆积排列，形成模板。
14、优选地，步骤s1中所述纳米微球为聚苯乙烯微球、聚多巴胺微球、聚pmma微球中的一种。
15、优选地，步骤s1中所述纳米微球的粒径为200～400nm。
16、优选地，步骤s2中所述保护气氛为氮气或氩气。
17、优选地，步骤s2中所述预碳化处理的温度为400～600℃。
18、优选地，步骤s2中所述预碳化处理的时间为1～4h。
19、优选地，步骤s3中所述有序多孔的zif-8与所述第二含氮有机配体的质量比为1:(0.5～2)。
20、优选地，步骤s3中所述第二含氮有机配体为邻菲罗啉。
21、优选地，步骤s3中所述保护气氛为氮气或氩气。
22、优选地，步骤s3中所述高温碳化处理的温度为900～1100℃。
23、优选地，步骤s3中所述高温碳化处理的时间为0.5～4h。
24、优选地，步骤s4中所述有序分级多孔的氮掺杂碳载体与所述金属前驱体的质量比为1:(1～4)。
25、优选地，步骤s4中所述金属前驱体为三氯化铁或二氯化铁。
26、优选地，步骤s4中所述保护气氛为氮气或氩气。
27、优选地，步骤s4中所述高温活化处理的温度为700～900℃。
28、优选地，步骤s4中所述高温活化处理的时间为0.5～3h。
29、本专利技术还提供一种采用上述的制备方法所制备而成的有序分级多孔fe-n-c氧还原催化剂。
30、优选地，所述有序分级多孔fe-n-c氧还原催化剂的粒径为1～5μm。
31、优选地，所述有序分级多孔fe-n-c氧还原催化剂的比表面积为600～1000m2 g-1。
32、本专利技术还提供一种采用上述的制备方法所制备而成的有序分级多孔fe-n-c氧还原催化剂的应用，所述有序分级多孔fe-n-c氧还原催化剂在燃料电池或金属-空气电池的阴极催化层中的应用。
33、如上所述，本专利技术的有序分级多孔fe-n-c氧还原催化剂、制备方法及其应用，具有以下有益效果：
34、本专利技术通过纳米微球有序堆积而成的模板构筑内部贯通的大孔结构，利用zif-8丰富的微孔结构吸附具有强金属配位能力的含氮有机配体，通过高温碳化处理，利用高温下锌元素的挥发构筑介孔和微孔结构，形成具有大量含氮金属配位点和“大孔-介孔-微孔”的有序分级多孔的氮掺杂碳载体；然后在高温下通过化学气相沉积的方式，利用含氮金属配位点锚定挥发性的铁离子，并碳化形成原子级分散的fe-nx活性位点，同时提高活性位点利用率。
35、本专利技术中制得的有序分级多孔fe-n-c氧还原催化剂具有一体化的多面体结构和内部贯通的“大孔-介孔-微孔”的多级孔结构，促进传质，同时具有高活性位密度和高活性位点利用率，应用于质子交换膜燃料电池、阴离子交换膜燃料电池或金属-空气电池的阴极催化剂，表现出优异的活性和耐久性。
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1.一种有序分级多孔Fe-N-C氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的有序分级多孔Fe-N-C氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S1中包括以下条件中的一项或组合：
3.根据权利要求1所述的有序分级多孔Fe-N-C氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述模板的制备方法包括：将纳米微球分散于水中，通过离心沉降或抽滤使得纳米微球有序堆积排列，形成模板。
4.根据权利要求1所述的有序分级多孔Fe-N-C氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S1中包括以下条件中的一项或组合：
5.根据权利要求1所述的有序分级多孔Fe-N-C氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S2中包括以下条件中的一项或组合；
6.根据权利要求1所述的有序分级多孔Fe-N-C氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S3中包括以下条件中的一项或组合：
7.根据权利要求1所述的有序分级多孔Fe-N-C氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S4中包括以下条件中的一项或组合：
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