一种碳基氧还原反应电催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳基氧还原反应电催化剂的制备方法，先合成了二氧化硅微球且表面包覆有苯并噁嗪树脂，然后将二氧化硅通过氟化氢溶液刻蚀掉，再在其上浸渍吸附铁源和氮源，合成了直径为170‑230纳米的多孔纳米空心球，其内腔的直径为95‑115nm，壁厚为30‑40nm，其上均匀分散负载有铁元素，与传统的贵金属铂催化剂相比，具有更优异的半波电位，达到了0.919V vs RHE，塔菲尔斜率为74mV dec

Preparation of electrocatalyst for carbon based oxygen reduction

【技术实现步骤摘要】
一种碳基氧还原反应电催化剂的制备方法
本专利技术属于电化学材料
，具体涉及一种碳基氧还原反应电催化剂的制备方法。
技术介绍
随着全球日益增长的能源需求，以及传统的化石能源过度使用所导致的能源危机和环境污染问题，人们迫切需要一种绿色的可再生能源装置。燃料电池或金属空气电池作为绿色环保的电化学能量转换和存储设备为解决全球的能源问题带来了契机。氧还原反应(ORR)作为一个重要的半反应在其中扮演者重要的角色，但是氧还原反应存在着动力学缓慢的问题，高效的电催化剂可以极大地加快其反应的动力学，从而提高反应效率，但是常常需要贵金属铂(Pt)，众所周知，铂不仅储量稀少，且价格昂贵，因此迫切需要发展一种非贵金属基电催化剂来替代传统的铂基催化剂，不仅在工业应用还是节省成本方面都具有重要意义。过渡金属/氮/碳催化剂已被证明是一种具有优异氧还原性能的非贵金属基电催化剂，其中，Fe/N/C催化剂在碱性体系下因其拥有接近甚至优于铂基催化剂的性能而被广泛关注和研究，然而，制备同时具有高的电催化活性和优异的稳定性的Fe/N/C催化剂仍具挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种碳基氧还原反应电催化剂的制备方法。本专利技术的技术方案如下：一种碳基氧还原反应电催化剂的制备方法，包括如下步骤：(1)将二氧化硅分散于乙醇和水的混合溶液中，再加入3-氨基酚、甲醛、乙二胺和正硅酸乙酯，于30-32℃下反应20-25h，接着冷却至室温，经离心洗涤后进行干燥；(2)将步骤(1)所得的物料分散于去离子水中，加入氟化氢溶液于室温下进行二氧化硅刻蚀20-25h；(3)将步骤(2)所得的物料经清洗和干燥后，分散于乙醇中；(4)将可溶性铁盐和氮源分别溶于乙醇中，然后缓慢滴入步骤(3)所得的物料中，接着浸渍吸附3-8h后离心；(5)将步骤(4)所得的物料经真空干燥后，再于反应气氛下，于880-920℃保温煅烧3-5h，冷却至室温后，即得所述碳基氧还原反应电催化剂；上述反应气氛由8-12％的氨气和88-92％的氩气组成。在本专利技术的一个优选实施方案中，所述可溶性铁盐包括氯化亚铁。在本专利技术的一个优选实施方案中，所述氮源包括尿素。进一步优选的，所述可溶性铁盐为氯化亚铁，所述氮源为尿素在本专利技术的一个优选实施方案中，所述真空干燥的温度为75-85℃。在本专利技术的一个优选实施方案中，所述反应气氛由10％的氨气和90％的氩气组成。在本专利技术的一个优选实施方案中，所述步骤(1)中，二氧化硅、3-氨基酚、甲醛、乙二胺和正硅酸乙酯的比例为1g∶0.64g∶0.96mL∶0.64mL∶0.3mL。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术先合成了二氧化硅微球且表面包覆有苯并噁嗪树脂，然后将二氧化硅通过氟化氢溶液刻蚀掉，再在其上浸渍吸附铁源和氮源，合成了直径为170-230nm的多孔纳米空心球，其内腔的直径为95-115nm，壁厚为30-40nm，其上均匀分散负载有铁元素，与传统的贵金属铂催化剂相比，具有更优异的半波电位，达到了0.919VvsRHE，塔菲尔斜率为74mVdec-1，具有非常高的电化学氧还原活性。2、本专利技术制备的碳基氧还原反应电催化剂在碱性电解液中具有优异的稳定性，在0.6V-1V的电位区间以50mV的扫描速率循环5000圈后半波电位仅衰减18mV，在0.8V的电位下电解80000s，相对电流还有70％，都优于传统的铂催化剂。3、本专利技术制备的碳基氧还原反应电催化剂的良好性能来源于多孔的纳米壳提供了较大的比表面积，暴露了较多的催化活性位点，且表面分布的活性位点较为均匀，而空心多孔结构也有利于氧气的传质，在受氧还原反应动力学限制的燃料电池和金属空气电池装置中具有重要意义，大大提高能源转换效率和稳定性。附图说明图1为本专利技术实施例1和对比例1制得的电催化剂在10mVs-1的扫描速率下在氧气饱和的0.1MKOH溶液中记录线性扫描伏安法(LSV)获得极化曲线；图2为本专利技术实施例1制得的碳基氧还原反应电催化剂在50mVs-1的扫描速率下扫描5000圈后半波电位衰减曲线，其中所有电极电势数据都进行了80％的iR补偿。图3为本专利技术实施例1和对比例1制备的电催化剂XRD衍射图谱。图4为本专利技术实施例1制得的碳基氧还原反应电催化剂扫描电镜(SEM)测试结果图。图5为本专利技术实施例1制得的碳基氧还原反应电催化剂TEM测试结果图。图6为本专利技术实施例1制得的碳基氧还原反应电催化剂EDX测试图。具体实施方式以下通过具体实施方式结合附图对本专利技术的技术方案进行进一步的说明和描述。实施例1(1)将1g二氧化硅分散于乙醇和水的混合溶液(60mL乙醇+140mL去离子水)中，再加入0.64g3-氨基酚、0.96mL甲醛、0.64mL乙二胺和0.3mL正硅酸乙酯，于30℃下反应24h，接着冷却至室温，经离心洗涤后进行干燥；(2)将步骤(1)所得的物料分散于去离子水中，加入适量氟化氢溶液于室温下进行二氧化硅刻蚀24h(蚀刻过程中保持搅拌)；(3)将步骤(2)所得的物料经清洗和干燥后，取0.5g分散于100mL乙醇中；(4)将0.05g四水合氯化亚铁和0.03g尿素分别溶于2.5mL乙醇中，接着混合成5mL溶液，将该溶液缓慢滴入步骤(3)所得的物料中，接着浸渍吸附4h后离心；(5)将步骤(4)所得的物料经80℃真空干燥后，再于反应气氛(10％氨气+90％氩气)下，于管式炉900℃保温煅烧4h，冷却至室温后，即得所述碳基氧还原反应电催化剂，其为直径170-230nm的多孔纳米空心球，其内腔的直径为95-115nm，壁厚为30-40nm，其上均匀分散负载有2-3wt％的铁元素。实施例2(1)将1g二氧化硅分散于乙醇和水的混合溶液(60mL乙醇+140mL去离子水)中，再加入0.64g3-氨基酚、0.96mL甲醛、0.64mL乙二胺和0.3mL正硅酸乙酯，于30℃下反应24h，接着冷却至室温，经离心洗涤后进行干燥；(2)将步骤(1)所得的物料分散于去离子水中，加入适量氟化氢溶液于室温下进行二氧化硅刻蚀24h(蚀刻过程中保持搅拌)；(3)将步骤(2)所得的物料经清洗和干燥后，取0.5g分散于50mL乙醇中；(4)将0.05g四水合氯化亚铁和0.03g尿素分别溶于2.5mL乙醇中，接着混合成5mL溶液，将该溶液缓慢滴入步骤(3)所得的物料中，接着浸渍吸附4h后离心；(5)将步骤(4)所得的物料经80℃真空干燥后，再于反应气氛(10％氨气+90％氩气)下，于管式炉900℃保温煅烧4h，冷却至室温后，即得所述碳基氧还原反应电催化剂，其为直径170-230nm的多孔纳米空心球，其内腔的直径为95-115nm，壁厚为30-40nm，其上均匀分散负载有2-3wt％的铁元素。实施例3(1)将1g二氧化硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳基氧还原反应电催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：/n(1)将二氧化硅分散于乙醇和水的混合溶液中，再加入3-氨基酚、甲醛、乙二胺和正硅酸乙酯，于30-32℃下反应20-25h，接着冷却至室温，经离心洗涤后进行干燥；/n(2)将步骤(1)所得的物料分散于去离子水中，加入氟化氢溶液于室温下进行二氧化硅刻蚀20-25h；/n(3)将步骤(2)所得的物料经清洗和干燥后，分散于乙醇中；/n(4)将可溶性铁盐和氮源分别溶于乙醇中，然后缓慢滴入步骤(3)所得的物料中，接着浸渍吸附3-8h后离心；/n(5)将步骤(4)所得的物料经真空干燥后，再于反应气氛下，于880-920℃保温煅烧3-5h，冷却至室温后，即得所述碳基氧还原反应电催化剂；上述反应气氛由8-12％的氨气和88-92％的氩气组成。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳基氧还原反应电催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将二氧化硅分散于乙醇和水的混合溶液中，再加入3-氨基酚、甲醛、乙二胺和正硅酸乙酯，于30-32℃下反应20-25h，接着冷却至室温，经离心洗涤后进行干燥；
(2)将步骤(1)所得的物料分散于去离子水中，加入氟化氢溶液于室温下进行二氧化硅刻蚀20-25h；
(3)将步骤(2)所得的物料经清洗和干燥后，分散于乙醇中；
(4)将可溶性铁盐和氮源分别溶于乙醇中，然后缓慢滴入步骤(3)所得的物料中，接着浸渍吸附3-8h后离心；
(5)将步骤(4)所得的物料经真空干燥后，再于反应气氛下，于880-920℃保温煅烧3-5h，冷却至室温后，即得所述碳基氧还原反应电催化剂；上述反应气氛由8-12％的氨气和88-92％的氩气组成。...

【专利技术属性】
技术研发人员：周尧，林华，李君涛，姜艳霞，孙世刚，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35