过渡金属及其化合物锚定氮掺杂碳催化剂制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了过渡金属及其化合物锚定N掺杂碳催化剂制备方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、制备N掺杂碳材料；步骤2、采用浸渍和旋转蒸发制备N掺杂碳前驱体；步骤3、将步骤2制得的N掺杂碳前驱体高温热处理，即得N掺杂碳催化剂，本发明专利技术工艺简单、操作方便、成本低，解决了现有技术制备M

【技术实现步骤摘要】
过渡金属及其化合物锚定氮掺杂碳催化剂制备方法及应用


[0001]本专利技术属于了催化剂制备术领域，具体涉及过渡金属及其化合物锚定N掺杂碳催化剂制备方法，还涉及上述催化剂的应用。

技术介绍

[0002]随着能源消耗和环境污染问题日益的严重，需要开发新型的能源存储和转换装置。金属
‑
空气电池，特别是锌
‑
空气电池被誉为最有前景的电池，因为其价格低廉、环境友好、理论的能量密度高达1084Wh kg
‑1。氧还原(ORR)过程是燃料电池和金属
‑
空气电池技中的一个重要过程，然而由于ORR是一个动力学迟缓的4e过程，这导致了一般的催化剂在催化该反应的时候效率是比较低的，从而严重限制了其实际应用。目前贵金属(Pt,Ir,RuO2,etc.)被认为是高效的ORR电催化剂，但由于其价格昂贵和稀缺性同样也不能很好的将该催化剂推广使用，因此，开发性能和Pt/C相媲美的非贵金属基复合材料仍然具有一定的挑战。在众多的非贵金属催化剂中，纳米碳材料被认为最有前景的ORR电催化剂，可通过氮掺杂过程可引入缺陷位及氮物种，提升催化性能。近年来，过渡金属Ni、Cu、和FeN
‑
N
‑
C复合催化剂，因为催化活性高、稳定性优异、价格低廉等优势成为最具吸引力的贵金属催化剂替代者之一。目前制备M
‑
N
‑
C催化剂有效的方法为采用金属有机框架化合物，其中ZIF被认为有效的构建氮掺杂金属颗粒或者单原子前驱体，然而，制备的工序复杂、浪费大量的金属配体、同时金属颗粒出现了团聚的现象。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供过渡金属及其化合物锚定N掺杂碳催化剂制备方法，解决了现有技术制备M
‑
N
‑
C催化剂的工序复杂、浪费大量的金属配体的同时金属颗粒会出现团聚现象的问题。
[0004]本专利技术的另一个目的是提供上述锚定N掺杂碳催化剂在锌空电池领域中的应用。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，过渡金属及其化合物锚定N掺杂碳催化剂制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0006]步骤1、制备N掺杂碳材料；
[0007]步骤2、采用浸渍和旋转蒸发制备N掺杂碳前驱体；
[0008]步骤3、将步骤2制得的N掺杂碳前驱体高温热处理，即得N掺杂碳催化剂。
[0009]本专利技术的特点还在于，
[0010]步骤1采用的固相迁移方法制备N掺杂碳材料。
[0011]步骤1的具体的步骤为，称取生物质碳和双氰胺进行预处理，将预处理好的生物质碳和双氰胺分别放置瓷舟的两端，将瓷舟放置管式炉加热，加热的过程中，双氰胺分解为CN
x
活性物质，保护气氛为Ar，Ar作为在携带CN
x
与N掺杂生物质炭进行反应得到N掺杂的生物质碳。
[0012]步骤2的具体的步骤为，
[0013]步骤2.1、在搅拌下，称取硝酸镍、硝酸铁、硝酸铜中任意一种和步骤1制得的N掺杂的生物质碳，滴加溶剂，滴加完成后超声2～4h得混合液；
[0014]步骤2.2、将混合液进行旋转蒸发，待溶剂蒸发完毕，在80℃的烘箱中干燥，得到N掺杂碳前驱体。
[0015]步骤3的具体的步骤为：将步骤2制得的N掺杂碳前驱体按照3～5℃/min升温速率升温至600～900℃进行热处理，保持1
‑
3h，热处理气氛为Ar，然后进行降温至室温，即得N掺杂碳催化剂。
[0016]步骤1中生物质碳和双氰胺按照质量比为1:2～1:6进行称取。
[0017]步骤1升温速率为5℃/min，温度700
‑
900℃，保温时间为0.5～2h。
[0018]步骤2.1将硝酸镍、硝酸铁、硝酸铜中任意一种和步骤1制得的N掺杂的生物质碳按照质量比例为0.005～0.02:1称取。
[0019]步骤2.1溶剂为水和乙醇，水和乙醇的体积比为1:1。
[0020]本专利技术所采用的另一个技术方案是，一种锚定N掺杂碳催化剂在锌空电池中的应用，锌空气电池按照以下步骤组装成两电极配置：通过将制备出的N掺杂碳催化剂分散在无水乙醇和Nafion混合超声30min，然后催化剂滴加到碳纸上作为阴极，碳纸的尺寸为2cm
×
2cm，催化剂的负载量为0.6mg
·
cm
‑2；将厚度为1.0mm抛光的Zn板用作阳极，采用0.2M Zn(OAc)2和6M KOH混合溶液用作电解质，构建锌空气电池。
[0021]本专利技术的有益效果是，本专利技术过渡金属及其化合物锚定N掺杂碳催化剂制备方法，先用固相迁移法制备N掺杂碳，然后采用浸渍、旋转蒸发和高温处理的方法制备过渡金属锚定的N掺杂生物质碳，金属颗粒及其化合物均匀分散在N掺杂的碳材料，旋转蒸发法及高温处理的方法催化剂制作方法简单，可进行规模化的工业生产，所制备出的催化剂为非贵金属的催化剂，催化剂的价格便宜、来源丰富、活性高、稳定性好，电催化性能优，具有很高的经济效益，同时所制备的催化剂表出优异的Zn
‑
Air性能，有望替代贵金属，实现其产业化。
附图说明
[0022]图1是本专利技术过渡金属及其化合物锚定N掺杂碳催化剂制备方法的流程图；
[0023]图2为实施例1制备的Cu锚定N掺杂碳的XRD图；
[0024]图3为实施例1制备的Cu锚定N掺杂碳的STEM图；
[0025]图4(a)为实施例1制备的Cu
‑
N
‑
C和Pt/C
‑
RuO2的充放电曲线图；
[0026]图4(b)为实施例1制备的Cu
‑
N
‑
C和Pt/C的极化曲线及功率密度曲线图；
[0027]图4(c)为实施例1中锌空气电池的比容量曲线图；
[0028]图4(d)为实施例1中电流密度为5mA cm
‑2，充放电的循环曲线图；
[0029]图5为实施例2制备的Ni锚定N掺杂碳的XRD图；
[0030]图6为实施例2制备的Ni锚定N掺杂碳的STEM图
[0031]图7为实施例3制备的FeN锚定N掺杂碳的XRD图；
[0032]图8为实施例3制备的FeN锚定N掺杂碳的STEM图。
具体实施方式
[0033]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0034]本专利技术过渡金属及其化合物锚定N掺杂碳催化剂制备方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
[0035]步骤1、制备N掺杂碳材料；
[0036]步骤1采用的固相迁移方法制备N掺杂碳材料；
[0037]步骤1的具体的步骤为：称取生物质碳和双氰胺进行预处理，将生物质碳和双氰胺按照质量比为1:2～1:6进行称取；将预处理好的生物质碳和双氰胺分别放置瓷舟的两端，将瓷舟放置管式炉加热，升温速率为5℃/min，温度700<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.过渡金属及其化合物锚定N掺杂碳催化剂制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、制备N掺杂碳材料；步骤2、采用浸渍和旋转蒸发制备N掺杂碳前驱体；步骤3、将步骤2制得的N掺杂碳前驱体高温热处理，即得N掺杂碳催化剂。2.根据权利要求1所述的过渡金属及其化合物锚定N掺杂碳催化剂制备方法，其特征在于，所述步骤1采用的固相迁移方法制备N掺杂碳材料。3.根据权利要求2所述的过渡金属及其化合物锚定N掺杂碳催化剂制备方法，其特征在于，所述步骤1的具体的步骤为，称取生物质碳和双氰胺进行预处理，将预处理好的生物质碳和双氰胺分别放置瓷舟的两端，将瓷舟放置管式炉加热，加热的过程中，双氰胺分解为CN
x
活性物质，保护气氛为Ar，Ar作为在携带CN
x
与N掺杂生物质炭进行反应得到N掺杂的生物质碳。4.根据权利要求3所述的过渡金属及其化合物锚定N掺杂碳催化剂制备方法，其特征在于，所述步骤2的具体的步骤为，步骤2.1、在搅拌下，称取硝酸镍、硝酸铁、硝酸铜中任意一种和步骤1制得的N掺杂的生物质碳，滴加溶剂，滴加完成后超声2～4h得混合液；步骤2.2、将混合液进行旋转蒸发，待溶剂蒸发完毕，在80℃的烘箱中干燥，得到N掺杂碳前驱体。5.根据权利要求1所述的过渡金属及其化合物锚定N掺杂碳催化剂制备方法，其特征在于，所述步骤3的具体的步骤为：将步骤2制得的N掺杂碳前驱体按照3～5℃/min升温速率升温至600～900℃进行热处...

【专利技术属性】
技术研发人员：刁金香，张超，焦旭东，孙超，陈慧，徐胜利，
申请(专利权)人：西安航空职业技术学院，
类型：发明
国别省市：