【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电催化剂，涉及一种高性能分级多孔碳气凝胶催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
1、h2作为一种清洁，高能量密度的能源，成为代替化石能源的理想选择，而燃料电池是一种转化效率不受卡诺循环限制的能量转换器，能够直接将燃料(如h2)的化学能转化为电能。其中阴离子交换膜燃料电池(aemfc)作为新兴的燃料电池装置，由于其工作环境为碱性，腐蚀性小，所用双极板便宜。但是aemfc面临商业化还面临着巨大挑战，关键挑战之一就是orr催化剂成本在整个电池成本中占很大的比例，如何降低成本的同时，又兼具高活性和稳定性是我们必须解决的问题。
2、目前使用更加廉价的非贵金属催化剂来代替昂贵的贵金属催化剂，这成为降低orr催化剂成本的主要手段，但是对于非贵金属催化剂而言，需要增加活性位点密度才能媲美pt/c等贵金属催化剂的性能，这也导致了非贵金属催化剂的负载增加了好几倍，出现活性位点暴露不完全、低效的传质等问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种基于碳气凝胶的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂(fen-ca)，其具有分级孔径、多活性位点、大比表面积，在保持高活性的同时，也具有优秀的传质能力。
2、本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：
3、一种高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法，包括：
4、将质量比为(4～19):1的三价铁原子掺杂zif-8前驱体fe3+/zif-8溶液与羧甲基纤维素cmc溶液混合后经过搅
5、作为优选，所述碳化温度为980～1400℃，时间为30～600min，升温速度为2～7℃/min。
6、进一步优选，碳化温度为1050～1300℃，时间为60～480min，升温速度为4～6℃/min。
7、作为优选，三价铁原子掺杂zif-8前驱体fe3+/zif-8溶液中fe3+/zif-8的制备方法包括：称取质量比为(0.045～0.055)：(0.85～0.87)：1的九水硝酸铁、六水硝酸锌、二甲基咪唑，将九水硝酸铁、六水硝酸锌溶解在甲醇溶液中得溶液a，二甲基咪唑溶解在甲醇溶液中得溶液b；溶液a和溶液b混合搅拌加热，离心干燥，即得。
8、作为优选，三价铁原子掺杂zif-8前驱体fe3+/zif-8溶液中溶剂为体积比(10～40)：1的水和丙酮。
9、作为优选，所述高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法，包括：
10、(1)将九水硝酸铁、六水硝酸锌溶解在甲醇溶液中得溶液a，二甲基咪唑溶解在甲醇溶液中得溶液b；溶液a和溶液b混合搅拌加热，离心干燥，得到fe3+/zif-8；
11、(2)分别称取fe3+/zif-8前驱体和羧甲基纤维素，将三价铁原子掺杂
12、zif-8前驱体加入到溶剂中超声得溶液c，将羧甲基纤维素cmc溶解在60～90℃水中，再在常温搅拌得溶液d，溶液c和溶液d混合搅拌超声，得水凝胶fe3+/zif-8@cmc；
13、(3)将水凝胶fe3+/zif-8@cmc在-25～-15℃预冷冻6～24h后，-70～-90℃冷冻干燥，得气凝胶fe3+/zif-8@cmc-ag；
14、(4)将气凝胶fe3+/zif-8@cmc-ag置于管式炉中碳化，得高性能分级多孔碳气凝胶催化剂fen-ca。
15、作为优选，(1)中九水硝酸铁、六水硝酸锌、二甲基咪唑的质量比为(0.04～0.06):(0.7～0.9):1。
16、作为优选，(1)中加热温度为50～70℃，时间为100～140min。
17、作为优选，(1)中fe3+/zif-8的平均粒径90～110nm。
18、作为优选，(2)中溶液c中溶剂为体积比(10～40)：1的水和丙酮。
19、作为优选，(2)中三价铁原子掺杂zif-8前驱体和羧甲基纤维素的质量比为(4～19):1。
20、进一步优选，fe3+/zif-8前驱体、羧甲基纤维素的质量比为14:1。
21、作为优选，(2)中超声和搅拌均为1～6h。
22、作为优选，(3)中碳化温度为980～1400℃，时间为30～600min，升温速度为2～7℃/min。
23、进一步优选，碳化温度为1050～1300℃，时间为60～480min，升温速度为4～6℃/min。
24、作为优选，(4)中管式炉中气体为惰性气体，包括氮气、氩气中的一种或多种。
25、作为优选，所述高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法，包括：
26、(1)称取质量比为(0.045～0.055)：(0.85～0.87)：1的九水硝酸铁、六水硝酸锌、二甲基咪唑，将九水硝酸铁、六水硝酸锌溶解在甲醇溶液中得溶液a，二甲基咪唑溶解在甲醇溶液中得溶液b；溶液a和溶液b混合搅拌加热，离心干燥，得到三价铁原子掺杂zif-8前驱体fe3+/zif-8；
27、(2)分别称取质量比为(9～16):1的三价铁原子掺杂zif-8前驱体、羧甲基纤维素，将三价铁原子掺杂zif-8前驱体加入到体积比(10～40)：1的水、丙酮混合溶剂中超声得溶液c，将羧甲基纤维素cmc溶解在60～90℃水中，再在常温搅拌得溶液d，溶液c和溶液d混合搅拌超声，得水凝胶fe3+/zif-8@cmc；
28、(3)将水凝胶fe3+/zif-8@cmc在-25～-4℃预冷冻6～24h后，-70～-90℃冷冻干燥24～72h，得气凝胶fe3+/zif-8@cmc-ag；
29、(4)将气凝胶fe3+/zif-8@cmc-ag置于管式炉中1050～1300℃碳化30～600min，得高性能分级多孔碳气凝胶催化剂fen-ca。
30、一种高性能分级多孔碳气凝胶催化剂，其为凹形十二面体中空结构，平均粒径90～150nm，平均孔径为6.1～7.2nm，比表面积为900～980m2 g-1。
31、作为优选，高性能分级多孔碳气凝胶催化剂具有介孔-微孔结构，其孔容为1.1～1.9cm3/g，介孔与微孔的体积比为(2.1～3.8)：1。
32、进一步优选，高性能分级多孔碳气凝胶催化剂具有介孔-微孔结构，其孔容为1.5～1.6cm3/g，介孔与微孔的体积比为0.588:0.233。
33、作为优选，高性能分级多孔碳气凝胶催化剂含n量为2～3％。
34、作为优选，高性能分级多孔碳气凝胶催化剂中fe3+/zif-8与cmc发生交联，共同构成碳气凝胶。
35、一种空气阴极，其负载0.8～1.2mg cm-2的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂。
36、作为优选，空气阴极的制备方法包括：将高性能分级多孔碳气凝胶催化剂和nafion分散在乙醇溶液中，超声得均匀浆料，将浆料分散于本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将质量比为(4～19):1的三价铁原子掺杂ZIF-8前驱体Fe3+/ZIF-8溶液与羧甲基纤维素溶液混合后经过搅拌超声得水凝胶，将水凝胶预冷冻、冷冻干燥、碳化后得高性能分级多孔碳气凝胶催化剂FeN-CA。
2.根据权利要求1所述的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法，其特征在于，所述三价铁原子掺杂ZIF-8前驱体Fe3+/ZIF-8溶液中Fe3+/ZIF-8的制备方法包括：称取质量比为(0.045～0.055)：(0.85～0.87)：1的九水硝酸铁、六水硝酸锌、二甲基咪唑，将九水硝酸铁、六水硝酸锌溶解在甲醇溶液中得溶液A，二甲基咪唑溶解在甲醇溶液中得溶液B；溶液A和溶液B混合搅拌加热，离心干燥，即得；
3.根据权利要求1所述的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法，其特征在于，所述碳化温度为980～1400℃，时间为30～600min，升温速度为2～7℃/min。
4.根据权利要求1所述的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：>
5.一种如权利要求1～4任一项所述的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法制得的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂，其特征在于，所述高性能分级多孔碳气凝胶催化剂为凹形十二面体中空结构，平均粒径90～200nm，平均孔径为6.1～7.2nm，比表面积为900～980m2 g-1。
6.根据权利要求5所述的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法制得的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂，其特征在于，所述高性能分级多孔碳气凝胶催化剂具有介孔-微孔结构，其孔容为1.1～1.9cm3/g，介孔与微孔的体积比为(2.1～3.8)：1。
7.一种空气阴极，其特征在于，其负载0.8～1.2mg cm-2的如权利要求1～4任一项所述的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法制得的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂，和/或权利要求5～6任一项所述的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂。
8.一种锌空电池，其特征在于，以锌箔为阳极，以如权利要求7所述的空气阴极为阴极，以KOH水溶液为电解液。
9.一种膜电极，其特征在于，其由碳纸、阴极催化剂层、阳极催化剂层、阴离子交换膜组成，所述阴极催化剂层上负载有如权利要求1～4任一项所述的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法制得的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂，和/或权利要求5～6任一项所述的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂。
10.一种阴离子交换膜燃料电池，其特征在于，其包括如权利要求9所述的膜电极、双极板、垫片和集电板。
...【技术特征摘要】
1.一种高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将质量比为(4～19):1的三价铁原子掺杂zif-8前驱体fe3+/zif-8溶液与羧甲基纤维素溶液混合后经过搅拌超声得水凝胶，将水凝胶预冷冻、冷冻干燥、碳化后得高性能分级多孔碳气凝胶催化剂fen-ca。
2.根据权利要求1所述的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法，其特征在于，所述三价铁原子掺杂zif-8前驱体fe3+/zif-8溶液中fe3+/zif-8的制备方法包括：称取质量比为(0.045～0.055)：(0.85～0.87)：1的九水硝酸铁、六水硝酸锌、二甲基咪唑，将九水硝酸铁、六水硝酸锌溶解在甲醇溶液中得溶液a，二甲基咪唑溶解在甲醇溶液中得溶液b；溶液a和溶液b混合搅拌加热，离心干燥，即得；
3.根据权利要求1所述的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法，其特征在于，所述碳化温度为980～1400℃，时间为30～600min，升温速度为2～7℃/min。
4.根据权利要求1所述的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
5.一种如权利要求1～4任一项所述的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂的制备方法制得的高性能分级多孔碳气凝胶催化剂，其特征在于，所述高性能分级多孔碳...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏启亮，王利强，范芝兰，付艳青，余睿智，李大娟，杨为佑，
申请(专利权)人：宁波工程学院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。