本发明专利技术涉及氧还原催化剂技术领域，且公开了一种孔径结构可控的Fe‑N共掺杂多孔碳氧还原催化剂，以联苯酚醛树脂刚性芳环作为碳源，重氮基团和1,2,3‑三氮唑基团作为氮源，乙酰丙酮铁作为铁源，侧链的聚乙二醇分子链在一定压力的热稳定较差，在制孔活化过程中分子链断裂，产生气体逸出，在制孔活化产物中形成大量的空腔和孔道结构，通过调控聚乙二醇的分子量和分子链长度，来调控空腔、孔道的大小和结构，通过高温煅烧和炭化，形成孔径结构可控的Fe‑N共掺杂多孔碳，孔隙结构丰富，分布均匀，并且孔径可控调节，比表面积巨大，Fe、N元素均匀掺杂在多孔碳的基体中，形成丰富的Fe‑N和C‑N氧还原催化活性位点。
【技术实现步骤摘要】
一种孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂及其制法
本专利技术涉及氧还原催化剂
，具体为一种孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂及其制法。
技术介绍
随着全球能源危机和环境问题日益严峻，研究和发展新型高效的绿色能源装置的存储系统成为热点，如锂离子电池、超级电容器、燃料电池、金属-空气电池等，而燃料电池和金属-空气电池的阴极反应通常为ORR氧还原反应，但是氧还原在动力学上反应缓慢，需要加入铂基贵金属催化剂促进氧还原反应的进行，但是铂基贵金属催化剂产量稀少、价格昂贵，限制了其广泛应用，因此可以开发廉价易得、氧还原催化活性高的非贵金属催化剂。目前金属-氮-碳类催化剂，如Fe-N-C、Co-N-C等具有活性的C-N和Fe-N结构，是有效催化氧还原反应的活性位点，多孔碳材料具有超高的比表面积，丰富的孔道结构，可以作为催化剂载体，在氧还原、析氧、超级电容器、锂离子电池等方面具有广泛的应用，因此以多孔碳为载体，开发出新型高效、催化活性高的Fe-N-C催化剂成为研究重点和热点。(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孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂及其制法，多孔碳的孔径和介孔结构可控调节，Fe-N-C活性位点丰富，氧还原催化活性应用。(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：一种孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂，所述孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂制备方法包括以下步骤：(1)向反应瓶中加入二氯甲烷溶剂、聚乙二醇、促进剂和催化剂，在低温反应仪中，在-5至0℃下缓慢滴加对甲苯磺酰氯的二氯甲烷溶液，在15-35℃下匀速搅拌反应12-24h，加入稀盐酸进行萃取纯化，再通过柱层析分离纯化，制备得到端对甲苯磺酰氧基聚乙二醇。(2)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂、端对甲苯磺酰氧基聚乙二醇和叠氮化钠，升温至70-90℃，匀速搅拌反应10-20h，冷却、加入二氯甲烷和饱和氯化钠溶液进行萃取纯化过程，制备得到得到端叠氮化聚乙二醇。(3)向反应瓶中加入氢氧化钠溶液和乙醇溶剂，加入联苯酚醛树脂和结构式为的间乙炔基苯重氮盐，搅拌均匀后在0-5℃下反应4-8h，加入稀盐酸调节溶液至中性并有沉淀析出，抽滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤沉淀产物并干燥，制备得到间乙炔基苯偶氮联苯型酚醛树脂。(4)向反应瓶中通入氮气，加入甲苯溶剂、间乙炔基苯偶氮联苯型酚醛树脂、端叠氮化聚乙二醇和乙酰丙酮铁，加入催化剂和添加剂，反应12-24h，真空干燥除去溶剂，制备得铁掺杂聚乙二醇接枝酚醛树脂。(5)将铁掺杂聚乙二醇接枝酚醛树脂置于气氛炉进行制孔活化过程和高温煅烧过程，制备得到孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂。优选的，所述步骤(1)中的聚乙二醇的分子量为800-4000，促进剂为三乙胺，催化剂为4-二甲氨基吡啶，聚乙二醇、三乙胺、4-二甲氨基吡啶和对甲苯磺酰氯的质量比为100-500:40-60:4.5-5.5:100。优选的，所述步骤(1)中的低温反应仪包括冷却液反应室，冷却液反应室上方活动连接有盖板，冷却液反应室内部固定连接有支撑杆，支撑杆活动连接有调节阀，调节阀活动连接有移动杆，移动杆固定连接有底座，底座上方设置有反应瓶。优选的，所述步骤(2)中的端对甲苯磺酰氧基聚乙二醇和叠氮化钠的质量比为25-100:10。优选的，所述步骤(3)中的联苯酚醛树脂和间乙炔基苯重氮盐的质量比为100:20-40。优选的，所述步骤(4)中的催化剂为硫酸铜，添加剂为抗坏血酸钠，间乙炔基苯偶氮联苯型酚醛树脂、端叠氮化聚乙二醇、乙酰丙酮铁，硫酸铜和抗坏血酸钠的质量比为100:10-30:0.2-0.8:0.3-1。优选的，所述步骤(5)中的制孔活化过程为空气氛围，气氛炉炉内压力为0.1-0.4MPa，在120-140℃下保温活化30-60min，在180-220℃下保温活化4-6h。优选的，所述步骤(5)中的高温煅烧过程为氮气氛围中，800-900℃下，保温煅烧2-3h。(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：该一种孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂，在三乙胺和4-二甲氨基吡啶的催化体系中，使聚乙二醇的端羟基与对甲苯磺酰氯的氯原子反应，得到端对甲苯磺酰氧基聚乙二醇，进一步在碱性氛围中，与叠氮化钠反应，得到端叠氮化聚乙二醇。该一种孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂，联苯酚醛树脂酚羟基对位上的碳与间乙炔基苯重氮盐的重氮基团反应，得到侧链含炔基的间乙炔基苯偶氮联苯型酚醛树脂，然后在硫酸铜和抗坏血酸钠的催化体系中，通过快速高效的点击化反应，使侧链的炔基与端叠氮化聚乙二醇的叠氮基团，发生1,3-偶极环加成反应，环化形成1,2,3-三氮唑基团，从而将聚乙二醇分子链引入联苯酚醛树脂的侧链中，并且乙酰丙酮铁作为有机铁源，均匀分散在聚乙二醇接枝酚醛树脂的基体中。该一种孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂，以联苯酚醛树脂刚性芳环作为碳源，重氮基团和1,2,3-三氮唑基团作为氮源，乙酰丙酮铁作为铁源，联苯酚醛树脂侧链的聚乙二醇分子链在一定压力的热稳定较差，导致在制孔活化过程中分子链断裂，并且产生气体逸出，从而在联苯酚醛树脂制孔活化产物中形成大量的空腔和孔道结构，并且通过调控聚乙二醇的分子量和分子链长度，来调控空腔、孔道的大小和结构，进一步通过高温煅烧和炭化，形成孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳，多孔碳的孔隙结构丰富，分布均匀，并且孔径可控调节，比表面积巨大，有利于氧还原反应过程中活性物质的传输和扩散，同时Fe、N元素均匀掺杂在多孔碳的基体中，N元素主要以活性吡啶氮和石墨氮的形成存在，形成丰富的Fe-N和C-N氧还原催化活性位点，并且多孔碳的导电性能优异，在协同作用下表现出良好的氧还原起始电位和半波电位，具有优异的氧还原催化性能。附图说明图1是低温反应仪正面示意图；图2是移动杆放大示意图；图3是移动杆调节示意图。1-低温反应仪；2-冷却液反应室；3-盖板；4-支撑杆；5-调节阀；6-移动杆；7-底座；8-反应瓶。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：一种孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂，制备方法包括以下步骤：(1)向反应瓶中加入二氯甲烷溶剂、分子量为800-4000的聚乙二醇、促进剂三乙胺和催化剂4-二甲氨基吡啶，在低温反应仪中，低温反应仪包括冷却液反应室，冷却液反应室上方活动连接有盖板，冷却液反应室内部固定连接有支撑杆，支撑杆活动连接有调节阀，调节阀活动连接有移动杆，移动杆固定连接有底座，底座上方设置有反应瓶，在-5至0℃下缓慢滴加对甲苯磺酰氯的二氯甲烷溶液，其中聚乙二醇、三乙胺、4-二甲氨基吡啶和对甲苯磺酰氯的质量比为100-500:40-60:4.5-5.5:100，在15-35℃下匀本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂，其特征在于：所述孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂制备方法包括以下步骤：/n(1)向二氯甲烷溶剂中加入聚乙二醇、促进剂和催化剂，在低温反应仪中，在-5至0℃下滴加对甲苯磺酰氯的二氯甲烷溶液，在15-35℃下匀速搅拌反应12-24h，萃取纯化和柱层析分离纯化，得到端对甲苯磺酰氧基聚乙二醇；/n(2)向N,N-二甲基甲酰胺溶剂中加入端对甲苯磺酰氧基聚乙二醇和叠氮化钠，升温至70-90℃，反应10-20h，萃取纯化，制备得到得到端叠氮化聚乙二醇；/n(3)向氢氧化钠溶液中加入乙醇溶剂、联苯酚醛树脂和间乙炔基苯重氮盐，在0-5℃下反应4-8h，沉淀、抽滤、洗涤并干燥，制备得到间乙炔基苯偶氮联苯型酚醛树脂；/n(4)在氮气氛围中，向甲苯溶剂加入间乙炔基苯偶氮联苯型酚醛树脂、端叠氮化聚乙二醇和乙酰丙酮铁，加入催化剂和添加剂，反应12-24h，真空干燥除去溶剂，制备得铁掺杂聚乙二醇接枝酚醛树脂；/n(5)将铁掺杂聚乙二醇接枝酚醛树脂置于气氛炉进行制孔活化过程和高温煅烧过程，制备得到孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂。/n
【技术特征摘要】
1.一种孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂，其特征在于：所述孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂制备方法包括以下步骤：
(1)向二氯甲烷溶剂中加入聚乙二醇、促进剂和催化剂，在低温反应仪中，在-5至0℃下滴加对甲苯磺酰氯的二氯甲烷溶液，在15-35℃下匀速搅拌反应12-24h，萃取纯化和柱层析分离纯化，得到端对甲苯磺酰氧基聚乙二醇；
(2)向N,N-二甲基甲酰胺溶剂中加入端对甲苯磺酰氧基聚乙二醇和叠氮化钠，升温至70-90℃，反应10-20h，萃取纯化，制备得到得到端叠氮化聚乙二醇；
(3)向氢氧化钠溶液中加入乙醇溶剂、联苯酚醛树脂和间乙炔基苯重氮盐，在0-5℃下反应4-8h，沉淀、抽滤、洗涤并干燥，制备得到间乙炔基苯偶氮联苯型酚醛树脂；
(4)在氮气氛围中，向甲苯溶剂加入间乙炔基苯偶氮联苯型酚醛树脂、端叠氮化聚乙二醇和乙酰丙酮铁，加入催化剂和添加剂，反应12-24h，真空干燥除去溶剂，制备得铁掺杂聚乙二醇接枝酚醛树脂；
(5)将铁掺杂聚乙二醇接枝酚醛树脂置于气氛炉进行制孔活化过程和高温煅烧过程，制备得到孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种孔径结构可控的Fe-N共掺杂多孔碳氧还原催化剂，其特征在于：所述步骤(1)中的聚乙二醇的分子量为800-4000，促进剂为三乙胺，催化剂为4-二甲氨基吡啶，聚乙二醇、三乙胺、4-二甲氨基吡啶和对甲苯磺酰氯的质量比为100-500:40-60:4.5-5.5:100。
3.根据权利要求1所述的一种孔径结构可控的F...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓乃英，
申请(专利权)人：邓乃英，
类型：发明
国别省市：天津;12
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