一种铁氮碳催化剂及其制备方法与用途技术

本公开涉及一种铁氮碳催化剂及其制备方法与用途，该催化剂包括铁原子和掺氮碳基体，所述掺氮碳基体具有石墨化结构，所述铁原子以与氮原子形成配位体的方式镶嵌在所述掺氮碳基体中；其中，以所述铁氮碳催化剂为基准，所述铁原子的含量为0.001～1重量％，所述氮原子的含量为2～10重量％，碳含量为50～90重量％。本公开提供的铁氮碳催化剂包括具有石墨化结构的掺氮碳基体，以及以与氮原子形成配位体的方式镶嵌在所述掺氮碳基体中的铁单原子，其中，铁单原子含量高且分散均匀，因此，该铁氮碳催化剂的物化结构稳定，具有良好的氧还原催化性能，可用作燃料电池的阴极催化剂。可用作燃料电池的阴极催化剂。可用作燃料电池的阴极催化剂。

【技术实现步骤摘要】
一种铁氮碳催化剂及其制备方法与用途


[0001]本公开涉及单原子催化剂
，具体地，涉及一种铁氮碳催化剂及其制备方法与用途。

技术介绍

[0002]铁氮碳(Fe
‑
N
‑
C)催化剂是一种新型的碳基纳米材料，其集成了均相催化和多相催化的优势，具有高催化活性和高选择性，金属原子利用率大，目前已经在氧化反应、加氢反应、光催化制氢以及电催化等领域中取得了良好的应用前景。铁氮碳催化剂能够在一定程度上替代贵金属催化剂，因此其能够显著降低贵金属催化剂的成本。
[0003]相关技术中的铁氮碳催化剂通常由含有铁源、氮源和碳源的前驱体经高温煅烧后得到。然而，本公开专利技术人发现：现有方法制备得到的铁氮碳催化剂的电催化性能仍然较差。

技术实现思路

[0004]本公开的目的是解决现有方法制备得到的铁氮碳催化剂的电催化性能较差的问题，提供一种铁氮碳催化剂及其制备方法与用途。
[0005]为了实现上述目的，本公开提供一种铁氮碳催化剂，该催化剂包括铁原子和掺氮碳基体，所述掺氮碳基体具有石墨化结构，所述铁原子以与氮原子形成配位体的方式镶嵌在所述掺氮碳基体中；其中，
[0006]以所述铁氮碳催化剂为基准，所述铁原子的含量为0.001～1重量％，所述氮原子的含量为2～10重量％，碳含量为50～90重量％；
[0007]优选地，以所述铁氮碳催化剂为基准，所述铁原子的含量为0.3～0.8重量％，所述氮原子的含量为4～10重量％，碳含量为75～90重量％。
[0008]可选地，所述氮原子在所述掺氮碳基体中的存在形式包括吡啶类氮、吡咯类氮、石墨化氮和氧化类氮中的至少一种；
[0009]优选地，所述氮原子至少包括吡啶类氮和吡咯类氮，以所述氮原子的总重量为基准，所述吡啶类氮和所述吡咯类氮的含量之和不小于20重量％，优选为40～80重量％。
[0010]可选地，所述掺氮碳基体的比表面积不小于100cm2/g，优选为200～400cm2/g；所述掺氮碳基体上具有微孔和介孔，其中，微孔的孔径为1～2nm，孔容为0.1～0.4cc/g，介孔的孔径为5～100nm，孔容为0.1～0.4cc/g。
[0011]可选地，所述铁氮碳催化剂的半波电位为0.85～0.88V，优选为0.87～0.88V，电流密度为3～6mA/cm2，优选为4.5～5.5mA/cm2。
[0012]本公开还提供一种制备铁氮碳催化剂的方法，该方法包括：
[0013]a、将萘与氮源混合并在无水三氯化铁作用下进行聚合反应，得到含氮萘沥青前驱体，其中，所述氮源为含有氮杂环的芳香族化合物；
[0014]b、将所述含氮萘沥青前驱体在惰性气体气氛下进行高温碳化处理，得到中间体；
[0015]c、将所述中间体进行酸洗，得到铁氮碳催化剂，其中，进行酸洗时，所使用的酸包括盐酸、硫酸和硝酸中的至少一种，酸浓度为0.5～6mol/L，优选为2～4mol/L。
[0016]可选地，步骤a中，所述氮源包括吡咯、咔唑和吲哚中的至少一种；
[0017]所述氮源与萘的重量之比为1:1～1:10，优选为1:1～3:10；无水三氯化铁与氮源和萘的混合物的重量之比为1:10～8:10，优选为2:10～4:10。
[0018]可选地，步骤a中，所述聚合反应的条件包括：反应时间为2～10h，反应温度为40～100℃；优选地，反应时间为4～6h，反应温度为80～90℃。
[0019]可选地，步骤b中，所述惰性气体包括氮气和/或氩气，惰性气体流量为150～200mL/min；所述高温碳化包括：
[0020]b1、以2～8℃/min的升温速率将温度从室温升至800～1200℃；
[0021]b2、保温0.5～4h；
[0022]b3、以1～10℃/min的降温速率将温度降至室温。
[0023]本公开还提供本公开实施例中任意一项所述的铁氮碳催化剂在制备燃料电池中的用途。
[0024]本公开还提供一种燃料电池，该燃料电池通过利用本申请实施例中任意一项所述的铁氮碳催化剂制备得到。
[0025]通过上述技术方案，本公开提供的铁氮碳催化剂包括具有石墨化结构的掺氮碳基体，以及以与氮原子形成配位体的方式镶嵌在所述掺氮碳基体中的铁单原子，其中，铁单原子含量高且分散均匀，因此，该铁氮碳催化剂的物化结构稳定，具有良好的氧还原催化性能，可用作燃料电池的阴极催化剂。
[0026]本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0027]附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
[0028]图1是实施例1所制备的Fe
‑
N
‑
C
‑
950催化剂的SEM图；
[0029]图2是实施例1所制备的Fe
‑
N
‑
C
‑
950催化剂的HAADF
‑
STEM图；
[0030]图3是实施例1所制备的Fe
‑
N
‑
C
‑
950催化剂的N2吸附
‑
脱附等温线图；
[0031]图4是实施例1所制备的Fe
‑
N
‑
C
‑
950催化剂的BJH孔径分布曲线；
[0032]图5是实施例1所制备的Fe
‑
N
‑
C
‑
950催化剂的XPS图；
[0033]图6是实施例1所制备的Fe
‑
N
‑
C
‑
950催化剂的XPS图；
[0034]图7是本公开实施例中Fe
‑
N
‑
C
‑
950和市售Pt/C的氧化还原的循环伏安曲线；
[0035]图8是本公开实施例中Fe
‑
N
‑
C
‑
950、Fe
‑
N
‑
C
‑
800、Fe
‑
N
‑
C
‑
1100和市售Pt/C的氧化还原的线性扫描伏安曲线。
具体实施方式
[0036]以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
[0037]本公开的第一方面提供一种铁氮碳催化剂，该催化剂包括铁原子和掺氮碳基体，
所述掺氮碳基体具有石墨化结构，所述铁原子以与氮原子形成配位体的方式镶嵌在所述掺氮碳基体中；其中，以所述铁氮碳催化剂为基准，所述铁原子的含量为0.001～1重量％，所述氮原子的含量为2～10重量％，碳含本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁氮碳催化剂，其特征在于，该催化剂包括铁原子和掺氮碳基体，所述掺氮碳基体具有石墨化结构，所述铁原子以与氮原子形成配位体的方式镶嵌在所述掺氮碳基体中；其中，以所述铁氮碳催化剂为基准，所述铁原子的含量为0.001～1重量％，所述氮原子的含量为2～10重量％，碳含量为50～90重量％；优选地，以所述铁氮碳催化剂为基准，所述铁原子的含量为0.3～0.8重量％，所述氮原子的含量为4～10重量％，碳含量为75～90重量％。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述氮原子在所述掺氮碳基体中的存在形式包括吡啶类氮、吡咯类氮、石墨化氮和氧化类氮中的至少一种；优选地，所述氮原子至少包括吡啶类氮和吡咯类氮，以所述氮原子的总重量为基准，所述吡啶类氮和所述吡咯类氮的含量之和不小于20重量％，优选为40～80重量％。3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述掺氮碳基体的比表面积不小于100cm2/g，优选为200～400cm2/g；所述掺氮碳基体上具有微孔和介孔，其中，微孔的孔径为1～2nm，孔容为0.1～0.4cc/g，介孔的孔径为5～100nm，孔容为0.1～0.4cc/g。4.根据权利要求1～3中任意一项所述的催化剂，其特征在于，所述铁氮碳催化剂的半波电位为0.85～0.88V，优选为0.87～0.88V，电流密度为3～6mA/cm2，优选为4.5～5.5mA/cm2。5.一种制备权利要求1～4中任意一项所述的铁氮碳催化剂的方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴玉超，彭茜，顾贤睿，王厚朋，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院，
类型：发明
国别省市：