一种用作氧还原反应催化剂的FeCo合金@氮掺杂石墨烯多级孔气凝胶及制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种用作氧还原反应催化剂的FeCo合金@氮掺杂石墨烯多级孔气凝胶及制备方法与应用。其制备方法，包括步骤：将超声处理后的氧化石墨烯分散液分散于Tris

【技术实现步骤摘要】
一种用作氧还原反应催化剂的FeCo合金@氮掺杂石墨烯多级孔气凝胶及制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种用作氧还原反应催化剂的FeCo合金@氮掺杂石墨烯多级孔气凝胶及制备方法与应用，属于金属
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空气电池储能器件材料制备


技术介绍

[0002]金属
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空气电池的放电效率取决于正极的氧还原反应(ORR)。目前，最常用且催化活性最好的是Pt基材料，但是Pt基材料存在资源稀缺、成本高等问题，因此，寻找和开发非贵金属氧还原反应催化剂成为推进金属
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空气电池商业化进程的必然选择，也是近年来燃料电池的催化剂研究的重要方向。
[0003]近年来，三维氮掺杂石墨烯气凝胶由于具有高氮含量、丰富孔隙、大比表面积，表现出优异的ORR性能。在石墨烯气凝胶的孔隙中，微孔有利于提高比表面积，介孔和大孔有利于传质，合适的大、介、微孔比例可使其结构优势在催化ORR方面得到最大发挥。因此，为优化氮掺杂石墨烯气凝胶电化学性能，需对其进行孔径调控。已报道的方法，例如中国专利文献CN107265443A公开了一种以SiO2‑
NH2同时作为模板和氮掺杂剂制备氮掺杂石墨烯气凝胶的方法，制备氮掺杂石墨烯气凝胶时引入SiO2‑
NH2同时作为模板和氮掺杂剂，后使用氢氟酸蚀刻去除SiO2纳米颗粒，得到三维多孔氮掺杂石墨烯气凝胶，通过改变SiO2‑
NH2加入量可改变气凝胶的孔径结构；但是该方法引入了SiO2‑
NH2模板，而SiO2纳米颗粒后续需要通过氢氟酸刻蚀除去，导致实验的繁琐及环境的污染，若不用难去除模板，则有利于简化制备过程。中国专利文献CN113659142A涉及一种氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，在制备氮掺杂石墨烯气凝胶时引入易挥发性有机分子环己烷和正丁醇作为模板，通过调整二者用量来改变气凝胶的孔隙度和比表面积，但是该方法中引入了有机分子模板分子，不利于节约环保。可见，目前制备多级孔石墨烯气凝胶的方法有待于从多种途径加以优化；而且目前氮掺杂石墨烯气凝胶的催化活性还需进一步提高。
[0004]因此，开发简单、高效的方法制备具有更多介孔和微孔、更大比表面积、更优ORR活性的FeCo合金@氮掺杂石墨烯多级孔气凝胶具有重要的意义。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种用作氧还原反应催化剂的FeCo合金@氮掺杂石墨烯多级孔气凝胶及制备方法与应用。本专利技术在制备氧化石墨烯过程中，通过控制超声时间有效调整氧化石墨烯横向尺寸大小，进而调控FeCo合金@氮掺杂石墨烯气凝胶的孔径结构，简化了制备过程，节省了模板分子；引入的FeCo合金，避免了石墨烯片间的严重堆叠。本专利技术所得孔径结构优化的FeCo合金@氮掺杂石墨烯气凝胶具有更多介孔和微孔，更大比表面积，更优ORR活性。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种用作氧还原反应催化剂的FeCo合金@氮掺杂石墨烯多级孔气凝胶的制备方
法，包括步骤如下：
[0008](1)将超声处理后的氧化石墨烯分散液分散于Tris
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HCl缓冲溶液中，之后加入氮源溶液，再加入Fe源和Co源的混合溶液，混合均匀后，进行水热反应，经洗涤、冷冻干燥，得到气凝胶；
[0009](2)将步骤(1)所得气凝胶经高温热处理后，经洗涤、烘干，得到用作氧还原反应催化剂的FeCo合金@氮掺杂石墨烯多级孔气凝胶。
[0010]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述的超声功率为300W，超声温度为20～25℃，超声时间为4～8h。
[0011]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述氧化石墨烯分散液的制备方法为现有技术，可参考文献(Xie,B.B.；Ren,X.D.；Yan,X.B.；Dai,Z.Y.；Hou,W.G.；Du,N.；Li,H.P.；Zhang,R.J.Fabrication of Pore
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Rich Nitrogen
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Doped Graphene Aerogel.RSC Adv.2016,6,23012
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23015)制备；所述氧化石墨烯分散液浓度为4～6mg/mL。
[0012]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述的Tris
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HCl缓冲溶液的浓度为0.1mol/L，pH＝8.4～8.5；所述Tris
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HCl缓冲溶液与氧化石墨烯分散液的体积比为1:2～3。
[0013]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述的氮源为多巴胺、三聚氰胺、聚吡咯、乙二胺、壳聚糖中的一种或几种，进一步优选为多巴胺；所述氮源与氧化石墨烯的质量比为1:1～3。
[0014]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述的氮源溶液是将氮源加入Tris
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HCl缓冲溶液中得到，所述氮源溶液的浓度为3～10mg/mL，所述Tris
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HCl缓冲溶液的浓度为0.1mol/L，pH＝8.4～8.5。
[0015]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述的Fe源为FeCl2、Fe(NO3)2、Fe(AC)2、K4Fe(CN)6中的一种或几种，进一步优选为K4Fe(CN)6；所述Fe源与氮源质量比为6～8:1。
[0016]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述的Co源为CoCl3、Co(NO3)3、K3Co(CN)6中的一种或几种，进一步优选为K3Co(CN)6；所述Co源与Fe源的摩尔比为1～2:1。
[0017]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述的Fe源和Co源的混合溶液是将Fe源和Co源加入Tris
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HCl缓冲溶液中得到，所述混合溶液中Fe源的浓度为20～50mg/mL，Co源的浓度为20～40mg/mL；所述Tris
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HCl缓冲溶液的浓度为0.1mol/L，pH＝8.4～8.5。
[0018]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述水热反应的温度为120～200℃，水热反应的时间为8～15h。
[0019]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述的洗涤为使用水洗涤5～8次。
[0020]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述的冷冻干燥的温度为
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60～
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70℃，冷冻干燥的时间为48～72h。
[0021]根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述的高温热处理的气氛为纯H2，气体流速为30～60mL/min，高温热处理的温度为550～650℃，高温热处理的时间为0.5～3h。
[0022]根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述的洗涤为依次使用水和无水乙醇各洗涤3～8次。
[0023]根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述的烘干为在50～70℃下真空干燥24～36h。
[0024]本专利技术还提供了上述制备方法制备得到的用作氧还原反应催化剂的FeCo合金@氮掺杂石墨烯多级孔气凝胶。
[0025]根据本专利技术上述用作氧还原反应催化剂的FeCo合金本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用作氧还原反应催化剂的FeCo合金@氮掺杂石墨烯多级孔气凝胶的制备方法，包括步骤如下：(1)将超声处理后的氧化石墨烯分散液分散于Tris
‑
HCl缓冲溶液中，之后加入氮源溶液，再加入Fe源和Co源的混合溶液，混合均匀后，进行水热反应，经洗涤、冷冻干燥，得到气凝胶；(2)将步骤(1)所得气凝胶经高温热处理后，经洗涤、烘干，得到用作氧还原反应催化剂的FeCo合金@氮掺杂石墨烯多级孔气凝胶。2.根据权利要求1所述的FeCo合金@氮掺杂石墨烯多级孔气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的超声功率为300W，超声温度为20～25℃，超声时间为4～8h。3.根据权利要求1所述的FeCo合金@氮掺杂石墨烯多级孔气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述氧化石墨烯分散液浓度为4～6mg/mL；所述的Tris
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HCl缓冲溶液的浓度为0.1mol/L，pH＝8.4～8.5；所述Tris
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HCl缓冲溶液与氧化石墨烯分散液的体积比为1:2～3。4.根据权利要求1所述的FeCo合金@氮掺杂石墨烯多级孔气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的氮源为多巴胺、三聚氰胺、聚吡咯、乙二胺、壳聚糖中的一种或几种，优选为多巴胺；所述氮源与氧化石墨烯的质量比为1:1～3；所述的氮源溶液是将氮源加入Tris
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HCl缓冲溶液中得到，所述氮源溶液的浓度为3～10mg/mL，所述Tris
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HCl缓冲溶液的浓度为0.1mol/L，pH＝8.4～8.5。5.根据权利要求1所述的FeCo合金@氮掺杂石墨烯多级孔气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的Fe源为FeCl2、Fe(NO3)2、Fe(AC)2、K4Fe(CN)6中的一种或几种，优选为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张人杰，袁晓娜，杨温鑫，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：