本发明专利技术涉及氧还原催化剂技术领域，且公开了一种S掺杂Fe‑N‑C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂，包括以下配方原料：Fe基金属有机骨架、聚丙烯腈、氨基硫脲、缩合剂。该一种S掺杂Fe‑N‑C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂，以Fe基金属有机骨架为模板，与聚丙烯腈形成的复合物为原料，通过静电纺丝技术制备出的碳纤维，再热裂解形成S掺杂富氮纳米碳材料为氧还原催化剂，其纳米尺寸具有很大的比表面积，具有优异的导电性能，同时促进了更多的Fe‑N和C‑N的活性位点的生产，S掺杂影响了Fe中心周围的电子云密度，降低了电子局域化，改善了催化剂活性位点与氧化物质的相互作用，使催化剂具有优异的氧还原催化活性。
【技术实现步骤摘要】
一种S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂及其制法
本专利技术涉及氧还原催化剂
，具体为一种S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂及其制法。
技术介绍
燃料电池是一种新型高效的能源装置，被认为是解决能源枯竭和环境污染的新能源，其中氧还原反应(ORR)在燃料电池以及金属-空气电池的应用中具有重要的地位，但是氧还原反应在动力学上反应较慢，而氧还原催化剂是其最核心的材料，主要分为铂基催化材料与非铂基催化材料，铂基催化材料由于产量稀少，价格昂贵等已经阻碍了铂基催化燃料电池的发展与商业化，探究高效、稳定、廉价的氧还原催化剂对加快燃料电池等新能源的商业化进程具有重要的意义。非贵金属电催化剂材料主要有杂原子掺杂碳材料、非贵金属氧化物、过渡金属-氮-碳复合材料，其中Fe-N-C非贵金属电催化剂，因其成本较低，原料廉价、合成方法简单等特点，是一种非常具有潜力的氧还原催化剂材料，但是目前的Fe-N-C氧还原催化剂导电性较差，抑制了电子的传输和扩散，阻碍了氧还原反应的正向进行，并且催化剂的比表面积不高，同时Fe元素在催化剂材料中分散不均匀，大大降低了催化剂中Fe-N和C-N的活性位点。(一)解决的技术问题针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂及其制法，解决了Fe-N-C氧还原催化剂导电性较差的问题，同时解决了催化剂活性位点暴露不充分的问题。(二)技术方案为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂，包括以下按重量份数计的配方原料：50-65份Fe基金属有机骨架、25-30份聚丙烯腈、2-3份氨基硫脲、10-17份缩合剂。优选的，所述缩合剂为2-(7-氧化苯并三氮唑)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸盐。优选的，所述Fe基金属有机骨架制备方法包括以下步骤：(1)向反应瓶中通入N2排出空气，加入乙醇溶剂、对苯二甲醛和5-氨基间苯二甲酸，将反应瓶中置于油浴锅中，加热至80-90℃，匀速搅拌反应20-30h，反应通过薄层色谱分析法观测反应结果，当对苯二甲醛反应完全后，将溶液减压浓缩除去溶剂，使用无水乙醚洗涤固体产物，将固体产物溶于乙醇溶剂中，自然挥发进行重结晶分离纯化，制备得到有机配体对苯亚胺间苯二甲酸，反应方程式如下：(2)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂、FeCl3和有机配体对苯亚胺间苯二甲酸，将反应瓶中置于超声分散仪中，在60-80℃下超声分散处理1-2h，并匀速搅拌20-40min，将溶液转移进聚四氟乙烯水热反应釜中，并置于反应釜加热箱中，加热至130-150℃，反应25-30h，将溶液冷却至室温，加入过量蒸馏水直至有大量沉淀析出，过滤除去溶剂，使用乙醚溶剂洗涤固体产物，将固体产物置于乙醇溶剂中，在70-80℃下匀速搅拌4-6h，将溶液减压浓缩除去溶剂，使用乙醇溶剂洗涤固体产物，并置于真空干燥箱中在40-50℃充分干燥，制备得到Fe基金属有机骨架。优选的，所述对苯二甲醛和5-氨基间苯二甲酸的物质的量摩尔比为1:2-2.5。优选的，所述FeCl3和有机配体对苯亚胺间苯二甲酸物质的量摩尔比为1:2.8-3.2。优选的，所述油浴锅包括底座，底座的正面设置有温控仪、搅拌调节器和电源开关，底座的顶部固定连接有支架和框体，框体的内壁固定连接有感温器，支架的顶部固定连接有电机，电机的底部固定连接有搅拌轴。优选的，所述S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂制备方法包括以下步骤：(1)向反应瓶中加入质量分数8-15％氢氧化钠水溶液，再加入25-30份聚丙烯腈，将反应瓶置于水浴锅中加热至75-85℃，匀速搅拌反应1-2h，将溶液过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤固体产物，制备得到聚丙烯腈水解产物聚丙烯腈羧酸钠。(2)将聚丙烯腈羧酸钠置于蒸馏水中，加入盐酸调节溶液pH至6-7，加入2-3份氨基硫脲、10-17份缩合剂2-(7-氧化苯并三氮唑)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸盐，将溶液加热至110-120℃，匀速搅拌反应6-8h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用乙醇溶剂洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到硫脲甲酰胺接枝聚丙烯腈。(3)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂，加入50-65份Fe基金属有机骨架和硫脲甲酰胺接枝聚丙烯腈，将反应瓶中置于超声分散仪中，在50-60℃下超声分散处理3-5h，并匀速搅拌1-2h，将溶液注入针孔注射器，针头直径为0.4-0.6mm，静电纺丝机正压为18-20kV，负压为2.4-2.8kV，静电纺丝溶液流速为0.8-1.2mL/h，静电纺丝的接收器与注射器针头之间的水平接收距离为18-22cm，通过静电纺丝机进行静电纺丝过程，制备得到Fe-MOFs-聚丙烯腈纳米纤维复合物。(4)将Fe-MOFs-聚丙烯腈纳米纤维复合物置于气氛电阻炉中，升温速率为3-5℃/min，现在空气氛围下进行预氧化过程2-4h，再通入N2，升温至760-780℃，保温煅烧3-5h，煅烧产物即为S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂。(三)有益的技术效果与现有技术相比，本专利技术具备以下有益的技术效果：该一种S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂，以有机配体对苯亚胺间苯二甲酸合成的Fe基金属有机骨架为模板，与聚丙烯腈形成的复合物为原料，通过静电纺丝技术制备出的碳纤维，再热裂解形成纳米碳材料为氧还原催化剂，其纳米尺寸具有很大的比表面积，增加了催化剂与电解液的接触面积，并且以Fe基金属有机骨架为模板，使Fe在催化剂中均匀分散，形成更多的Fe-N活性位点，增强了催化剂的氧还原性能。该一种S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂，Fe基金属有机骨架以及硫脲甲酰胺接枝聚丙烯腈含有丰富的N元素，形成富氮多孔碳材料，氮的电负性比碳强，使N原子的电荷向C原子迁移，从而使碳材料表现出良好的正电性，增大了氧还原催化剂的导电性能，提高了电子的迁移和传输速率，促进了氧还原反应的正向进行，并且富氮碳材料也促进了更多的Fe-N和C-N的活性位点的生产，从而增强了催化剂的氧还原活性。该一种S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂，通过硫脲甲酰胺接枝聚丙烯腈，形成S掺杂多孔碳材料，S掺杂影响了Fe中心周围的电子云密度，降低了电子局域化，改善了催化剂活性位点与氧化物质的相互作用，从而促进了4电子氧还原反应的进行，并且硫的原子半径较大，扩大了碳材料的层间距，形成了多孔碳结构具有大量的介孔结构和孔隙通道，促进了电子和反应产物的传输和扩散。附图说明图1为本专利技术连接结构剖视图；图2为本专利技术连接结构主视图。图中：1-底座、2-温控仪、3-搅拌调节器、4-电源开关、5-支架、6-框体、7-感温器，8-电机，9-搅拌轴。具体实施方式为实现上述目的，本专利技术提供如下具体实施方式和实施例：一种S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂，包括以下按重量份数计的配方本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂，包括以下按重量份数计的配方原料，其特征在于：50-65份Fe基金属有机骨架、25-30份聚丙烯腈、2-3份氨基硫脲、10-17份缩合剂。/n
【技术特征摘要】
1.一种S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂，包括以下按重量份数计的配方原料，其特征在于：50-65份Fe基金属有机骨架、25-30份聚丙烯腈、2-3份氨基硫脲、10-17份缩合剂。
2.根据权利要求1所述的一种S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂，其特征在于：所述缩合剂为2-(7-氧化苯并三氮唑)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸盐。
3.根据权利要求1所述的一种S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂，其特征在于：所述Fe基金属有机骨架制备方法包括以下步骤：
(1)向反应瓶中通入N2排出空气，加入乙醇溶剂、对苯二甲醛和5-氨基间苯二甲酸，将溶液置于油浴锅中加热至80-90℃，匀速搅拌反应20-30h，将溶液减压浓缩除去溶剂、洗涤固体产物，将固体产物溶于乙醇溶剂中，进行重结晶分离纯化，制备得到有机配体对苯亚胺间苯二甲酸，反应方程式如下：
(2)向N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，加入FeCl3和有机配体对苯亚胺间苯二甲酸，将溶液在60-80℃下超声分散处理1-2h，并匀速搅拌20-40min，将溶液转移进水热反应釜中，加热至130-150℃，反应25-30h，将溶液冷却至室温，加入过量蒸馏水直至有大量沉淀析出，过滤、洗涤固体产物，将固体产物置于乙醇溶剂中，在70-80℃下匀速搅拌4-6h，将溶液除去溶剂、洗涤固体产物，在40-50℃充分干燥，制备得到Fe基金属有机骨架。
4.根据权利要求3所述的一种S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂，其特征在于：所述对苯二甲醛和5-氨基间苯二甲酸的物质的量摩尔比为1:2-2.5。
5.根据权利要求3所述的一种S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂，其特征在于：所述FeCl3和有机配体对苯亚胺间苯二甲酸物质的量摩尔比为1:2.8-3.2。
6.根据权利要求3所述的一种S掺杂...
【专利技术属性】
技术研发人员：向代成，
申请(专利权)人：嵊州市量创新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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