一种一锅法合成非贵金属氧还原、氧解析双效电催化剂制造技术

本发明专利技术涉及一种运用g‑C

One pot synthesis of non noble metal double effect electrocatalyst for oxygen reduction and oxygen analysis

【技术实现步骤摘要】
一种一锅法合成非贵金属氧还原、氧解析双效电催化剂
专利技术涉及运用一锅法合成同时具有铁、镍双位点的非贵金属催化剂，同时应用在氧还原和氧解析中均具有高效的催化性能。利用用g-C3N4的七嗪结构捕获螯合金属原子，在水热的过程中锚定铁、镍，同时混合葡萄糖进一步提升碳含量，最后在碳化阶段形成Fe-Nx和Ni-Nx双活性位点。一锅法同时制备出铁、镍双位点，得到同时具备氧还原和氧解析的高效非贵金属催化剂，在锌空电池领域有广阔的应用前景。
技术介绍
锌空电池因其高转化率、环境友好、几乎不排放氮氧化物和硫化物，被认为是最有发展前景的能源存储与转换装置之一。锌是一种很廉价的金属资源，在地球上储量丰富，且具有无毒、电极电位负等优点，一直以为被广泛应用在化学电源的阳极。早在19世纪90年代就开始工业化生产，目前仍在全球使用广泛的锌锰电池其阳极材料就是锌。以锌或者锌合金作为燃料电池的阳极，阴极采用空气，就组装得到了锌空气电池。锌空气电池是一种介于燃料电池和传统电池之间的能源转换技术。它具有传统电池的设计特征，以金属锌作负极，另一方面，它们跟燃料电池一样，多孔正极结构需要来自周围空气的氧气作为反应物。理论上，以空气中的氧气为阴极，正极容量近乎无限且在电池之外，电池内的空间能填充更多的阳极材料。因此，锌空气电池在锌型电池中是比能量最高的，达1086Wh·kg-1(包括氧气)，且阴极材料来自空气，成本为零。目前锌空电池阴极氧还原电催化以Pt等贵金属及其合金为主。虽然贵金属Pt催化剂的氧还原催化性能高，但其价格昂贵、资源稀缺、稳定性差，限制了其商业化发展与应用。研究表明功能化后的碳材料可以催化氧还原反应的进行，通过一锅法制备出铁、镍共掺杂的氧还原、氧解析高效非贵金属电催化剂，不仅具有高效的催化性能，而且原料成本低廉方法简单高效。因为铁的活性位点具有催化氧还原的能力，镍的活性位点具有催化氧解析的能力。因此本实验合成的双功能催化剂非常适合可充放电的锌空电池。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题是：通过调控铁、镍的比例，利用g-C3N4的七嗪结构，一锅法反应，十分精准的合成铁、镍双位点的催化剂材料，同时具有高效的氧还原和氧解析的催化能力。并且该催化剂成本低廉，合成方法简单高效。解决了可充放电锌空电池催化剂催化性能不高，稳定性差，成本高难以大规模推广的问题。本专利技术是通过以下方式实现的：步骤1）称取500g尿素于磁舟中，转移至管式炉空气气氛下，一定温度下碳化4h得到g-C3N4，称取一定量的g-C3N4，铁盐，镍盐加入75mL超纯水，在一定温度下油浴一段时间，然后将得到的材料水洗三次，转移至聚四氟乙烯内衬中，加入一定浓度的葡萄糖溶液20mL，之后在一定温度下水热一定时间，然后水洗、乙醇洗三次，放在真空干燥箱中干燥12h，得到g-C3N4-Fe+Ni。步骤2）将g-C3N4-Fe+Ni转移到瓷舟中，并放入管式炉中在惰性气氛中，在一定温度下煅烧一定时间，自然降温冷却到室温，即得同时具备氧还原和氧解析双效催化性能的非贵金属电催化剂。进一步优选步骤1）所述一定温度为30-80℃，优化为60-80℃。步骤1）中所述反应一段时间为4-24h，优化为12-24h。步骤1）中所述混合在一定浓度是葡萄糖为0.2-1M，优化为0.6-1M。步骤2）中所述在高温管式炉中煅烧过程为以1-10℃/min的速率升温至150-250℃，保温0.5-3.0小时；再以1-5℃/min的速率升温至800-1000℃，保温0.5-3.0小时。优化为以5℃的速率升温至200-250℃保温2-3.0小时；再以5℃/min的速率升温至800-1000℃，保温2.0-3.0小时。本专利技术的优点本专利技术利用一锅法合成铁、镍共掺杂的氧还原、氧解析双效非贵金属电催化剂，合成方法简单，制备的电催化剂不仅同时具有优良的氧还原和氧解析催化性能，而且具有良好的稳定性。为制备可充放电的锌空电池催化剂提供了新的思路。与现有技术比较，本专利技术具有以下优点：1）本专利技术通过一锅法合成铁、镍共掺杂的双功能电催化剂。方法简单，成本低廉，易于推广。2）本专利技术通过引入铁、镍非贵金属，通过精准的调控二者的比例，得到催化剂的性能优于贵金属的Pt/IrO2催化剂，具有很大的经济价值。3）本专利技术通过碳化步骤得到稳定的Fe-Nx和Ni-Nx双活性位点，从而得到稳定性极高的电催化剂，使其非常适合应用在锌空电池的组件上。附图说明图1为实施例1中利用一锅法合成的非贵金属铁、镍（m铁：m镍=1:1）共掺杂的双效电催化剂的线性扫描伏安图。图2为对比例1中利用一锅法合成的非贵金属铁、镍（m铁：m镍=1.5:1）共掺杂的双效电催化剂的线性扫描伏安图。图3为对比例2中利用一锅法合成的非贵金属铁、镍（m铁：m镍=1:1.5）共掺杂的双效电催化剂的线性扫描伏安图。图4为实施例1中利用一锅法合成的非贵金属铁、镍（m铁：m镍=1:1）共掺杂的双效电催化剂的透射电镜图。图5为实施例1中利用一锅法合成的非贵金属铁、镍（m铁：m镍=1:1）共掺杂的双效电催化剂的锌空电池的测试图。实施例1步骤1）称取500g尿素于磁舟中，转移至管式炉空气气氛下，在550℃碳化4h得到g-C3N4，称取500mg的g-C3N4，250mgFeCl3·6H2O，250mgNi(NO3)2·6H2O加入75mL超纯水，在70℃下油浴12h，然后将得到的材料水洗三次，转移至聚四氟乙烯内衬中，加入0.6M的葡萄糖溶液20mL，之后在140℃下水热12h，然后水洗、乙醇洗三次，放在真空干燥箱中干燥12h，得到g-C3N4-Fe+Ni。步骤2）将g-C3N4-Fe+Ni转移到瓷舟中，并放入管式炉中在惰性气氛中，将样品以5℃/min的加热速率加热至250℃，并在流动的氩气下在250℃下保持2小时，然后升温至900℃，并在流动的氩气下在900℃下保持2小时，自然降温冷却到室温，即得同时具备氧还原和氧解析双效催化性能的非贵金属电催化剂g-C3N4-Fe+Ni（1:1）。对比例1步骤1）称取500g尿素于磁舟中，转移至管式炉空气气氛下，在550℃碳化4h得到g-C3N4，称取500mg的g-C3N4，375mgFeCl3·6H2O，250mgNi(NO3)2·6H2O加入75mL超纯水，在70℃下油浴12h，然后将得到的材料水洗三次，转移至聚四氟乙烯内衬中，加入0.6M的葡萄糖溶液20mL，之后在140℃下水热12h，然后水洗、乙醇洗三次，放在真空干燥箱中干燥12h，得到g-C3N4-Fe+Ni。步骤2）将g-C3N4-Fe+Ni转移到瓷舟中，并放入管式炉中在惰性气氛中，将样品以5℃/min的加热速率加热至250℃，并在流动的氩气下在250℃下保持2小时，然后升温至900℃，并在流动的氩气下在900℃下保持2小时，自然降温冷却到室温，即得同时具备氧还原和氧解析双效催化性能的非贵金属电催化剂g-C3N4-Fe+Ni本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一锅法合成非贵金属氧还原、氧解析双效电催化剂的制备过程，合成过程包括以下步骤：/n步骤1）称取500g尿素于磁舟中，转移至管式炉空气气氛下，在550℃下碳化4h得到g-C

【技术特征摘要】
1.一种一锅法合成非贵金属氧还原、氧解析双效电催化剂的制备过程，合成过程包括以下步骤：
步骤1）称取500g尿素于磁舟中，转移至管式炉空气气氛下，在550℃下碳化4h得到g-C3N4，称取500mg的g-C3N4，和一定量的铁盐，镍盐加入75mL超纯水，在一定温度下油浴一段时间，然后将得到的材料水洗三次，转移至聚四氟乙烯内衬中，加入一定浓度的葡萄糖溶液20mL，之后在一定温度下水热一定时间，然后水洗、乙醇洗三次，放在真空干燥箱中干燥12h，得到g-C3N4-Fe+Ni,
步骤2）将g-C3N4-Fe+Ni转移到瓷舟中，并放入管式炉中在惰性气氛中，在一定温度下煅烧一定时间，自然降温冷却到室温，即得同时具备氧还原和氧解析双效催化性能的非贵金属电催化剂。


2.根据权力要求书1所述的用于氧还原、氧解析反应的双效非贵金属电催化剂的制备方法，其特征是：步骤1）中所述铁盐可以为九水合硝酸铁、六水合氯化铁、六水合硫酸亚铁铵、硫酸亚铁、硫酸铁、四水合氯化亚铁、四水合醋酸亚铁、无水氯化亚铁及无水氯化铁的一种或两种。


3.根据权力要求书1所述的用于氧还原、氧解析反应的双效非贵金属电催化剂的制备方法，其特征是：步骤1）中所述镍盐可以为六水合硝酸镍、六水合氯化镍、六水合硫酸镍、六水合硝酸镍、乙酰丙酮镍、及溴化镍的一种或两种。


4.根据权力要求书1所述的用于氧还原、氧解析反应的双效非...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱威，马猛猛，庄仲滨，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11