一种应用于锌空电池和燃料电池的铁磷氧氮化物制备方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于锌空电池和燃料电池的铁磷氧氮化物制备方法，具体包括如下步骤：首先合成过渡金属与植酸配位形成的金属胶，以过渡金属金属胶为前驱体在惰性气氛下进行高温煅烧，将煅烧后的产物进行酸洗处理，最后以氨气为N源，高温下进行N掺杂得到最终的过渡金属磷氧氮化物。过渡金属氧磷氮化物作为氧还原催化剂具有高的导电性和比表面积，有效降低了ORR的过电位，通过旋转圆盘电极(RDE)以及旋转环盘电极(RRDE)表明其ORR过程为4电子催化机理，是较为理想的ORR反应过程。该电催化剂充分发挥了过渡金属和杂原子元素在电催化方面的协同作用，在锌空电池的应用中表现出优异的催化性能。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于锌空电池和燃料电池的铁磷氧氮化物制备方法
本专利技术属于新能源材料技术以及电化学催化领域，具体涉及一种应用于锌空电池和燃料电池的铁磷氧氮化物制备方法。
技术介绍
随着世界对能源的需求量增大以及环境问题的日益严重，我们迫切需要一种高效、低成本和环境友好的能源转换和储存系统。燃料电池和燃料电池因能量转化效率高、环境友好且不受卡诺循环限制等特点，引起研究人员的关注。然而燃料电池和锌空电池的应用仍面临着严峻的挑战，尤其是阴极氧还原反应(ORR)动力学过程较慢，极大限制了燃料电池的商业化应用。目前催化ORR性能最好的催化剂是Pt基催化剂，但Pt储量少、价格昂贵、稳定差且抗甲醇能力不足，因此，开发具有高催化活性、良好稳定性和低成本的非Pt基催化剂具有重要的研究意义和应用价值。目前研究较多的Fe基催化剂，主要通过N掺杂来提高催化剂在催化ORR反应的催化活性，所得催化剂性能可与Pt、C相媲美但仍存在很多问题。同时非金属催化剂也表现出不错的催化活性，非金属催化剂主要通过将碳材料与杂原子进行掺杂，通过杂原子对碳材料电子结构的调整，掺杂富缺陷和边缘碳材料来提高催化剂对ORR反应的催化活性。结合现有的Fe基催化剂和非金属催化剂的研究现状，如何发挥过渡金属和杂原子元素在电催化方面的协同作用，提出Fe与P、N、O掺杂的设想，通过杂原子的掺杂来影响催化剂中Fe和C的电子排布提高催化ORR反应的催化性能，与此同时降低催化剂的成本，克服Pt催化剂价格昂贵性能不稳定等问题，使其应用于燃料电池和锌空电池来降低催化剂的成本，加速燃料电池和锌空电池的推广和应用，具有重要的现实意义。专利技术内容针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种应用于锌空电池和燃料电池的铁磷氧氮化物制备方法，该方法简单而且原料价格低廉，通过以铁盐与植酸形成的金属胶为前驱体，碳化后进行氮掺杂，得到催化性能优异的氧还原催化剂。本专利技术采取的技术方案为：一种应用于锌空电池和燃料电池的铁磷氧氮化物制备方法，具体包括如下步骤：(1)金属胶的制备：室温下，将醋酸铁加入定量植酸中恒温超声使金属盐全部溶解，使铁离子与植酸进行配位形成大分子化合物，；然后向溶液中加入过量有机溶剂产生金属胶沉淀；(2)碳化：将步骤(1)中所得的金属胶转移至管式炉的瓷舟中，在惰性气体氛围下升温至碳化温度，然后恒温保持数小时，最后自然降温至室温；(3)酸洗：将步骤(2)得出的样品充分研磨，转移至单口烧瓶中加入酸然后充分超声，然后加热回流12h～24h，通过抽滤分离得到固体并用大量去离子水洗至中性，将固体真空干燥数小时；(4)制备过渡金属氧磷氮化物：将步骤(3)得到的固体转移至管式炉中的瓷舟中，在惰性气体氛围下升温至高温温度，然后通入氨气，恒温保持数小时，冷却至室温。进一步的，所述步骤(1)中的醋酸铁和植酸的质量比为1:1～1:5。进一步的，所述步骤(1)中的有机溶剂为丙酮，将金属胶以沉淀的形式析出，得到金属胶沉淀后倒出溶剂，并反复洗涤金属胶3次。进一步的，所述步骤(2)中的碳化温度为以5℃/min的速率升温至600℃～1000℃。进一步的，所述步骤(2)和步骤(4)中的惰性气体为氩气。进一步的，所述步骤(3)中的酸为2M盐酸溶液，将覆盖于催化剂表面金属氧化物洗掉，使催化剂表面的活性位点露出来。进一步的，所述步骤(4)中的高温温度是以5℃/min升温至600℃～1000℃。更进一步的，所述所述步骤(4)中升温阶段，惰性气体的流速为150ml/min，保持高温温度后加大惰性气体流速，控制氨气与氩气的流速均为500ml/min恒温保持1h-1.5h，最后关闭氨气并将惰性气体调回150ml/min。提高流速让氨气与材料接触的更加重复，促进氮掺杂效率。本专利技术的有益效果为：本专利技术合成了具有中空多孔球三维结构的催化ORR反应的催化剂。本专利技术首先应用铁离子与植酸配位形成大分子化合物的原理，形成铁-植酸金属胶的前驱体，这个过程中引入了磷元素，氧元素以及碳元素。然后将前驱体在惰性气氛下进行高温煅烧，通过高温将前驱体进行碳化，提高其导电性并改变催化剂中的铁和碳的核外电子数的排布。将煅烧后的产物进行酸洗处理此步骤主要是将覆盖于催化剂表面的非活性物质洗掉并洗出缺陷方便引入氮元素。最后进行氮元素的掺杂，氮元素的掺杂的目的与磷元素掺杂的目的相同主要为改变催化剂中铁元素和碳元素的核外电子排布，以提高催化性能，以氨气为N源，高温下进行N掺杂得到最终的铁磷氧氮化物。铁氧磷氮化物作为氧还原催化剂有效降低了ORR的过电位，通过旋转圆盘电极(RDE)以及旋转环盘电极(RRDE)表明其ORR过程为4电子催化机理，是较为理想的ORR反应过程。该电催化剂充分发挥了过渡金属和杂原子元素在电催化方面的协同作用，在锌空电池的应用中表现出优异的催化性能。本专利技术技术方案提供的Fe-PON/C催化剂具有高的导电性和比表面积，而且有效降低了ORR的过电位，结果表明其ORR过程大部分为4电子催化机理，是较为理想的ORR反应过程。与现有技术相比，本专利技术提供的Fe-PON/C催化剂应用于锌空电池主要具有以下优点：1)将本专利技术方法制备的催化剂应用于燃料电池和锌空电池中，在半电池体系中，碱性条件下FePON/C催化剂的半波电势达到0.92V，极限电流达到5mA/cm2与商业Pt/C催化剂性能相近；2)本专利技术方法制备的Fe-PON/C具有优异的氧还原活性，与商业Pt/C催化剂性能相比接近，并且在稳定行测试中，催化剂保持稳定；3)本专利技术所述的氧还原催化剂为非贵金属催化剂，制备工艺简单，原料易得，成本低，有利于大规模开发利用；附图说明图1为实施例1的催化剂Fe-PON/C的TEM图；图2为实施例1的催化剂Fe-PON/C的SEM图；图3为实施例1的催化剂Fe-PON/C的XPS图；图4为实施例1的Fe-PON/C催化剂的ORR线性伏安曲线图；图5为实施例1的Fe-PON/C催化剂和对比例1所述商业20wt％的Pt/C催化剂修饰RDE上的LSV对比图；图6为实施例1的Fe-PON/C催化剂应用于锌空电池的催化性能图；图7为实施例1的Fe-PON/C催化剂应用于燃料电池的催化性能图。具体实施方式为进一步理解本专利技术，下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，但并不以任何方式限制本专利技术。实施例1：第一步，室温下，将0.25g醋酸铁加入定量植酸中恒温超声使金属盐全部溶解；然后向溶液中加入过量丙酮产生金属胶沉淀，最后倒出溶剂，用丙酮反复洗涤金属胶3次。第二步，将第一步中所得的金属胶转移至管式炉的瓷舟中，在氩气氛围下升温至800℃，然后恒温保持2个小时，最后自然降温至室温。第三步，将上一步得出的样品充分研磨，转移至单口烧瓶中加入过量盐酸然后超声至均匀，然后回流24h。通过抽滤分离得到固体并用大量去离子水洗至中性，将固体80℃真空干燥数小时。第四步将第三步得到的固体转移至管式炉中的瓷舟中，在氩气氛围下以5℃/min升温至800℃，然后通入氨气，恒温保持数小时，最后关闭氨气并将氩气调回原流速，冷却至室温即得到铁磷氧氮化物化物。将上述所得最终产物作为催化剂利用旋转圆盘电极、电化学工作站和蓝电进行电化学和燃料电池锌空电池的测试。如图1至图2对催化剂Fe-PON/C的表面形态进行表征，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于锌空电池和燃料电池的铁磷氧氮化物制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)金属胶的制备：室温下，将醋酸铁加入定量植酸中恒温超声使金属盐全部溶解；然后向溶液中加入过量有机溶剂产生金属胶沉淀；(2)碳化：将步骤(1)中所得的金属胶转移至管式炉的瓷舟中，在惰性气体氛围下升温至碳化温度，然后恒温保持数小时，最后自然降温至室温；(3)酸洗：将步骤(2)得出的样品充分研磨，转移至单口烧瓶中加入酸然后充分超声，然后加热回流12h～24h，通过抽滤分离得到固体并用大量去离子水洗至中性，将固体真空干燥数小时；(4)制备过渡金属氧磷氮化物：将步骤(3)得到的固体转移至管式炉中的瓷舟中，在惰性气体氛围下升温至高温温度，然后通入氨气，恒温保持数小时，冷却至室温。

【技术特征摘要】
1.一种应用于锌空电池和燃料电池的铁磷氧氮化物制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)金属胶的制备：室温下，将醋酸铁加入定量植酸中恒温超声使金属盐全部溶解；然后向溶液中加入过量有机溶剂产生金属胶沉淀；(2)碳化：将步骤(1)中所得的金属胶转移至管式炉的瓷舟中，在惰性气体氛围下升温至碳化温度，然后恒温保持数小时，最后自然降温至室温；(3)酸洗：将步骤(2)得出的样品充分研磨，转移至单口烧瓶中加入酸然后充分超声，然后加热回流12h～24h，通过抽滤分离得到固体并用大量去离子水洗至中性，将固体真空干燥数小时；(4)制备过渡金属氧磷氮化物：将步骤(3)得到的固体转移至管式炉中的瓷舟中，在惰性气体氛围下升温至高温温度，然后通入氨气，恒温保持数小时，冷却至室温。2.根据权利要求1所述一种应用于锌空电池和燃料电池的铁磷氧氮化物制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的醋酸铁和植酸的质量比为1:1～1:5。3.根据权利要求1所述一种应用于锌空电池和燃料电池的铁磷氧氮化物制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的有机溶剂为丙酮，将金属胶以沉淀的形式析出，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘希恩，李平，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37