一种多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂及其制备方法以及应用技术

本发明专利技术提供了一种多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂，由多孔氮掺杂碳以及负载于所述多孔氮掺杂碳的表面以及孔隙内的氮化铁组成，所述氮化铁为FeXN，x＝2，3，4。本发明专利技术所述的多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂中铁与氮形成氮化铁并分散在氮掺杂碳上，掺杂的氮含量高，并且具有高的比表面积、较高的活性、较高的稳定性。将该催化剂制备成电极，用于催化氧气还原反应，在电化学氧气还原反应中表现极好的催化性能，具有很好的工业应用前景。

A porous nitrogen-doped carbon-supported iron nitride catalyst and its preparation method and Application

The invention provides a porous nitrogen-doped carbon supported iron nitride catalyst, which is composed of porous nitrogen-doped carbon and iron nitride loaded on the surface of the porous nitrogen-doped carbon and in the pore. The iron nitride is FeXN, x=2, 3, 4. The porous nitrogen-doped carbon-supported iron nitride catalyst has iron and nitrogen forming iron nitride and dispersing on nitrogen-doped carbon, high nitrogen content, high specific surface area, high activity and high stability. The catalyst was prepared into electrodes for catalytic oxygen reduction reaction, which showed excellent catalytic performance in electrochemical oxygen reduction reaction and had good industrial application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂及其制备方法以及应用
本专利技术属于材料制备
，具体涉及一种多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂及其制备方法以及应用。
技术介绍
能源问题是21世纪最大的问题之一，是经济增长与社会发展的重要物质基础。应对传统化石燃料消耗所引起的能源危机和环境问题的方法主要有两种：其一是提高还是燃料利用效率，延缓燃料耗竭时间，短期缓解能源紧张；其二是探索发展可再生能源技术，从根本上解除对化石燃料的依靠。随着第二次工业革命，人类迈入电气化时代，电能的整合与利用尤为关键。随着人口的增多和经济的发展，能源需求越来越大。越来越多的科学研究者们已经不遗余力地寻找可持续能源设备，如燃料电池，太阳能电能，金属-空气电池，锂离子电池，超级电容器等等。相比于传统热机，燃料电池是一种工作效率高，对环境友好，应答速度快的新型发电装置，它可以直接将化学能转化为电能，效率很高，因此其成为21世纪的主要能源已是大势所趋，因不受卡诺循环限制，其电能转换效率在30％～40％。燃料电池作为环境友好型能源设备，收到了广泛的关注。但在燃料电池实现商业化应用的过程中，遇到的最大问题之一就是阴极氧还原反应的催化剂问题。目前，燃料电池发展所需克服的难点主要在于提高阴极材料的催化效率。而以高负载了Pt/C为主的商业催化剂，由于贵金属储量稀少、价格昂贵，促使人们积极寻找开发性能优异且成本低廉的贵金属替代催化剂。以Fe等为代表的非贵金属，因其具有未饱和的3d电子轨道，通过对其结构/组成等的合理设计调控，有望取代贵金属在电化学催化中的发展与应用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂及其制备方法以及应用，本专利技术提供的催化剂具有较高的氧还原反应催化活性、稳定性及抗甲醇和一氧化碳能力。本专利技术提供了一种多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂，由多孔氮掺杂碳以及负载于所述多孔氮掺杂碳的表面以及孔隙内的氮化铁组成，所述氮化铁为FeXN，x＝2，3，4。优选的，所述多孔氮掺杂碳与氮化铁的质量比为20:1～10:1。优选的，所述催化剂的比表面积为170m2g-1～662m2g-1，平均孔径为1.43nm～3.82nm,总孔容为0.17cm3g-1～0.46cm3g-1。本专利技术还提供了一种上述多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂的制备方法，包括以下步骤：将聚苯胺和MIL-100(Fe)研磨混合后烧结，得到多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂。优选的，所述聚苯胺和MIL-100(Fe)的质量比为16:1～4:1。优选的，所述烧结的温度为900℃，所述烧结的时间为3～7小时。优选的，所述烧结的气氛为氩气或者体积比为1:9～0:9的氨气与氩气的混合气体。优选的，所述聚苯胺的制备方法为：过二硫酸铵在盐酸溶液中氧化聚合苯胺，得到聚苯胺。优选的，所述MIL-100(Fe)的制备方法为：均苯三甲酸、还原铁粉、硝酸以及氢氟酸进行水热反应，得到MIL-100(Fe)。本专利技术还提供了一种上述多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂用于催化氧气还原反应中的应用。与现有技术相比，本专利技术提供了一种多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂，由多孔氮掺杂碳以及负载于所述多孔氮掺杂碳的表面以及孔隙内的氮化铁组成，所述氮化铁为FeXN，x＝2，3，4。本专利技术所述的多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂中铁与氮形成氮化铁并分散在碳掺杂碳上，掺杂的氮含量高，并且具有高的比表面积、较高的活性、较高的稳定性。将该催化剂制备成电极，用于催化氧气还原反应，在电化学氧气还原反应中表现极好的催化性能，具有很好的工业应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例1、2、3、4中制备的多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂FeXN/NC-A(A＝0，3，5，7)的SEM图；图2为本专利技术实施例1、2、3、4中制备的多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂FeXN/NC-A(A＝0，3，5，7)的XRD图；图3为本专利技术实施例1、2、3、4中制备的多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂FeXN/NC-A(A＝0，3，5，7)的N2吸附脱附曲线及孔径分布曲线，其中a为N2吸附脱附曲线，b为孔径分布图；图4为本专利技术实施例1、2、3、4中制备的多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂FeXN/NC-A(A＝0，3，5，7)的拉曼图及N1SX射线光电子能谱图，其中a为拉曼图；b为N1SX射线光电子能谱图；图5为本专利技术实施例1、2、3、4中制备的多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂FeXN/NC-A(A＝0，3，5，7)的旋转圆盘电极极化曲线图和半波电势图；其中a为旋转圆盘电极极化图，圆盘转速为1600rpm；b为半波电势图；图6为本专利技术实施例4中制备的多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂FeXN/NC-7催化氧气还原反应的稳定性和抗甲醇能力测试以及抗一氧化碳能力，a、c和d反应电位是0.6V(标准电势)，甲醇添加浓度为0.5mol/L，一氧化碳浓度为100％，转速为900rpm；b为催化剂在碱性溶液中线性循环伏安扫描循环8000圈前后的旋转圆盘电极极化曲线图。具体实施方式本专利技术提供了一种多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂，由多孔氮掺杂碳以及负载于所述多孔氮掺杂碳的表面以及孔隙内的氮化铁组成，所述氮化铁为FeXN，x＝2，3或4。在本专利技术的催化剂中铁与氮形成氮化铁并分散在碳掺杂碳上，掺杂的氮含量高，负载的氮化铁为FeXN(x＝2，3，4)。即所述氮化铁为Fe2N、Fe3N和Fe4N中的一种或多种。其中，所述多孔氮掺杂碳与氮化铁的质量比为20:1～10:1。所述催化剂的比表面积为170m2g-1～662m2g-1，平均孔径为1.43nm～3.82nm，总孔容为0.17cm3g-1～0.46cm3g-1。本专利技术还提供了一种上述多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂的制备方法，包括以下步骤：将聚苯胺和MIL-100(Fe)研磨混合后烧结，得到多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂。在本专利技术中，所述聚苯胺的制备方法为：过二硫酸铵在盐酸溶液中氧化聚合苯胺，得到聚苯胺。具体的，将过二硫酸铵的盐酸溶液加入苯胺的盐酸溶液中，低温下静置混合溶液一段时间进行反应，再对混合溶液进行离心分离处理并清洗干燥得到固体，即聚苯胺。所述盐酸溶液中HCl的浓度为1mol/L，所述苯胺的盐酸溶液中苯胺与盐酸的体积比为1:20，所述过二硫酸铵和苯胺的质量体积比为4.998g：2mL。反应的温度为0℃，反应的时间为6小时。所述聚苯胺的数均分子量400000～1000000。所述MIL-100(Fe)的制备方法为：均苯三甲酸、还原铁粉、硝酸以及氢氟酸进行水热反应，得到MIL-100(Fe)。具体的，将均苯三甲酸、浓硝酸、氢氟酸以及还原铁粉依次加入到超纯水中，搅拌混合，再在反应釜中进行水热反应，所得混合溶液进行离心收集产物，清洗并干燥后得到MIL-100(Fe)。其中，所述均苯三甲酸、浓硝酸、氢氟酸和还原铁粉的用量比为(687.5mg)：(190μL)：(200μL)：(277.5mg)。所述水热反应的温度为150℃，所述水热反应的时间为24小时。得到聚苯胺和MIL-100(Fe)后，将聚苯胺和MIL-100(Fe)研磨混合后，得到混合物。其中，所述聚苯胺和MIL-100(Fe)的质量比为8:1。所述研磨为手动研磨。得到混合物后，将所述混合物进行烧结，所述烧结的温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂，其特征在于，由多孔氮掺杂碳以及负载于所述多孔氮掺杂碳的表面以及孔隙内的氮化铁组成，所述氮化铁为FeXN，x＝2，3，4。

【技术特征摘要】
1.一种多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂，其特征在于，由多孔氮掺杂碳以及负载于所述多孔氮掺杂碳的表面以及孔隙内的氮化铁组成，所述氮化铁为FeXN，x＝2，3，4。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述多孔氮掺杂碳与氮化铁的质量比为20:1～10:1。3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述催化剂的比表面积为170m2g-1～662m2g-1，平均孔径为1.43nm～3.83nm,总孔容为0.17cm3g-1～0.46cm3g-1。4.一种如权利要求1～3任意一项所述的多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将聚苯胺和MIL-100(Fe)研磨混合后烧结，得到多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂。5.根据权利要求4所述的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞汉青，胡晓，刘武军，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34