【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于新能源材料技术的制备，具体涉及一种基于生物质的具有全ph范围的铁氮掺杂碳催化剂的制备方法及其在锌-空气电池领域的应用。
技术介绍
1、目前，能源的日益短缺和化石燃料的大量使用已经造成了全球污染、空气质量的恶化和能源安全。因此，对环境友好、高效和可持续的新电化学能源存储和转换器件引起了越来越多的兴趣。锌-空气电池是一类突出的储能设备，由于其高的理论能量密度(1084whkg-1)，固有安全性、环境友好性和可适用性，因此备受关注。氧还原反应(orr)被认为是这些清洁能源设备的根本问题，但由于其动力学缓慢，尤其是在酸性和中性电解质中，氧还原反应面临着重重困难。迄今为止，贵金属(如pt)是在ph值通用介质中进行反应的最先进电催化剂。遗憾的是，由于贵金属稀缺、成本高昂、耐久性不理想以及在相应或反向反应中活性低，这些贵金属催化剂的大规模开发受到严重限制。因此，为了在ph值通用介质中创造出高性能的锌-空气电池，人们一直在努力创造有效可靠的低成本的催化剂。
2、最近，m-n-c(m＝fe、ni、co等)材料成为研究热点，因为它们具有良好的orr活性、强大的界面共轭和吸附o2的能力。特别值得关注的是，fe-n-c材料作为一种高效、持久的orr催化剂成为主要候选材料。尽管可制备与pt/c催化剂相媲美的高效fe-n-c催化剂，但这种情况大多发生在碱性条件下。因此，在酸性条件下甚至中性环境下开发高效的电催化剂迫在眉睫。
3、有资料表明，当fe-n-c分子暴露于酸性介质中的h2o2时，其耐久性会发生退化。碳催化剂会逐
4、因此，基于以上讨论，如能用低沉本、简单快捷、环境友好的方法设计合理的传质孔道和高密度活性位点的fe-n-c氧还原电催化剂，是推进碳基代铂催化剂研发的关键，对于燃料电池和金属空气电池以及其他氧还原相关领域的发展具有重要价值。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对上述技术问题，提供基于生物质的铁氮掺杂碳催化剂的制备方法，其作为氧还原电催化剂在全ph条件下具有高效、稳定的电催化氧还原性能，并在锌-空气电池中展现出优异的电化学性能。
2、本专利技术的上述目的通过以下技术方案得以实施：
3、一种基于生物质的铁氮掺杂碳催化剂的制备方法，所述碳催化剂的比表面积为186-704m2-1、孔体积为0.10-0.6cm3g-1、孔径尺寸为5-10nm。
4、作为优选，所述碳催化剂的比表面积为700-710m2g-1、孔体积为0.50-0.60cm3g-1、孔径尺寸为5-6nm。
5、本专利技术还提生物质的铁氮掺杂碳催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：
6、s1：配置细菌纤维素分散液；
7、s2：将氯化铁、硝酸锌和二甲基咪唑加入到细菌纤维素分散液中均匀搅拌；
8、s3：离心冷冻干燥，得到固体粉末；
9、s4：在惰性保护气体气氛下高温热解。
10、大多数金属化学物质在高温下非常稳定，而只有zn2+可以还原为金属zn，然后在高于800℃的温度下蒸发扩散。因此本专利技术通过阳离子是zn作为理想的成孔模板，zn还可以增加碳材料的缺陷程度，限制fe纳米颗粒的过度生长。
11、本专利技术制备的碳催化剂是利用细菌纤维素和znfe-mof碳化来制造分层多孔碳纳米纤维块体。其中细菌纤维素上的羟基官能团与zn2+和fe3+具有很强的亲和力，有许多接触活性位点，然后在热解过程中对zn2+进行气化和蒸发刻蚀，从而在衍生的碳材料中产生可控缺陷以及微孔和介孔。zn2+在气化过程中造成的空洞进一步限制了铁颗粒的生长。本专利技术得益于可控缺陷、微孔和介孔以及铁颗粒大小，使得碳催化剂具有较大的比表面积在全ph条件下提供了更高的电催化活性和稳定性。用本专利技术碳催化剂构造的锌-空气电池具有较高的比容量和显著的功率密度，这表明其优异的整体储能性能，可实现极具前景的实际应用。
12、作为优选，步骤s1中细菌纤维素的含量为0.7％。不同细菌纤维素含量会影响碳材料的孔隙结构和分散程度。
13、本专利技术中步骤s1细菌纤维素作为碳材料的前驱体，添加量如果过多会导致最终碳材料孔隙堆积，活性位点数目减小进而导致催化活性下降；添加量过少则在热解过程中碳产率不高，造成资源浪费和碳产量衰减，不利于实际制备。
14、作为优选，混合溶液中搅拌时间为1-50分钟。
15、本专利技术中硝酸锌、氯化铁和有机配体二甲基咪唑微溶于水中，金属离子和有机配体通过扩散的方式进入彼此的体系，发生自组装反应，得到细菌纤维素与mof混合材料。
16、进一步优选，步骤s2搅拌时间为20分钟，可使得两者在水中完全与细菌纤维素均匀混合。
17、作为优选，步骤s3冷冻干燥时间为12-48h。
18、作为优选，步骤s4中热解的温度为700-1000℃，时间为1-3h。
19、进一步优选，热解的温度为900℃，时间为2h。
20、进一步优选，热解在氮气或氩气等惰性气氛中进行。
21、本专利技术还提供碳催化剂在锌-空气电池中的应用，将上述碳催化剂作为阴极电极材料用于锌-空气电池中。
22、本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：
23、1、本专利技术以细菌纤维素作为骨架和碳源，利用前驱体金属盐热解过程中zn2+气化和蒸发刻蚀，从而产生大量的缺陷以及大量的微孔和介孔，限制了金属铁颗粒的进一步生长。再通过干燥和高温碳化的工艺优化制得高比表面积和全ph范围内的高催化活性的碳催化剂，从而提供电化学性能优异的电池阴极材料。
24、2、本专利技术方法有效增强了碳催化剂的结构稳定性和活性位点，使其具有良好的循环稳定性和高催化活性。
25、3、本专利技术将生物质基碳催化剂用于锌-空气电池，作为阴极电极材料可制得高比电容和高功率密度的锌-空气电池。
26、4、本专利技术的方法工艺简单可控，重复性好，易实现产业化，可在绿色能源领域推广应用。
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1.一种具有全pH范围的铁氮掺杂碳催化剂的制备方法，其特征在于，所述碳催化剂的比表面积为186-704m2g-1、孔体积为0.10-0.6cm3g-1、孔径尺寸为5-10nm。
2.根据权利要求1所述的一种具有全pH范围的铁氮掺杂碳催化剂，其特征在于，所述碳催化剂的比表面积为700-710m2g-1、孔体积为0.50-0.60cm3g-1、孔径尺寸为5-6nm。
3.一种如权利要求1所述一种具有全pH范围的铁氮掺杂碳催化剂，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
4.根据权利要求1所述一种具有全pH范围的铁氮掺杂碳催化剂，其特征在于，步骤S1中细菌纤维素含量为0.7％。
5.根据权利要求1所述一种具有全pH范围的铁氮掺杂碳催化剂，其特征在于，步骤S2混合溶液中搅拌时间为20分钟。
6.根据权利要求1所述一种具有全pH范围的铁氮掺杂碳催化剂，其特征在于，步骤S3中冷冻干燥时间为12-48h。
7.根据权利要求1所述一种具有全pH范围的铁氮掺杂碳催化剂，其特征在于，步骤S4中碳化的温度为700-1000℃，碳化时间为
8.一种如权利要求1所述一种具有全pH范围的铁氮掺杂碳催化剂在锌-空气电池中的应用，其特征在于，将权利要求1-7任一所述具有全pH范围的铁氮掺杂碳催化剂用于锌-空气电池中。
...【技术特征摘要】
1.一种具有全ph范围的铁氮掺杂碳催化剂的制备方法，其特征在于，所述碳催化剂的比表面积为186-704m2g-1、孔体积为0.10-0.6cm3g-1、孔径尺寸为5-10nm。
2.根据权利要求1所述的一种具有全ph范围的铁氮掺杂碳催化剂，其特征在于，所述碳催化剂的比表面积为700-710m2g-1、孔体积为0.50-0.60cm3g-1、孔径尺寸为5-6nm。
3.一种如权利要求1所述一种具有全ph范围的铁氮掺杂碳催化剂，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
4.根据权利要求1所述一种具有全ph范围的铁氮掺杂碳催化剂，其特征在于，步骤s1中细菌纤维素含量...
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