一种含铁单原子催化剂及其应用制造技术

一种含铁单原子催化剂及其应用。含铁单原子催化剂形貌为单分散球形，表面光滑，直径40 nm

An iron containing monatomic catalyst and its application

【技术实现步骤摘要】
一种含铁单原子催化剂及其应用


[0001]本专利技术属于氧还原催化剂
，具体涉及一种含铁单原子催化剂及其应用。

技术介绍

[0002]近年来，随着化石燃料的不断消耗造成CO2的大量排放，国家提出了碳中和、碳达峰的理念，为了实现这一目标，电化学能源转化装置的研究变得尤为重要，常见的有：燃料电池，电解水装置，金属空气电池等，其中金属空气电池由于其理论能量密度高，安全性高，无污染受到科研人员的广泛关注，其中锌空电池的理论能量密度((1218 W
·
h
·
kg
‑1)是锂离子电池的3倍左右，但制备成本比较低，因此，在未来能源的应用中，锌空电池被认为是很有希望取代锂离子电池的。氧还原反应（ORR反应）作为锌空电池（ZABs）的阴极反应，由于其过高的反应能垒，在很大程度上降低了ZAB的能量转化效率，这是迄今为止阻碍ZABs商业化应用的主要因素之一。锌空电池的基本结构由锌电极，碱性电解质和含有活性物质的多孔空气电极组成。在放电过程中，锌发生氧化，释放电子通过外电路至空气电极。同时，大气中氧气分子扩散到空气电极，，通过ORR反应，在氧气，电解质和活性物质的边界处形成氢氧根离子。对于锌空气电池来说，虽然Pt/C具有良好的活性，但它们的稀缺性，昂贵性和稳定性不足严重制约了这些贵金属催化剂在锌空气电池中的广泛应用。因此，开发价廉、耐用、活性高的ORR催化剂是实现其在锌空气电池中实际应用的关键。

技术实现思路

[0003]针对现有铁单原子催化剂的制备过程复杂难控、能耗高、后处理对环境不友好或制得的铁单原子催化剂的产量相对较低的问题，本专利技术提供了一种含铁单原子催化剂及其应用，该含铁单原子催化剂直径40 nm
±
1 nm的均匀纳米球，且可以通过现有的方法进行宏量制备。
[0004]为解决现有技术问题，本专利技术采取的技术方案：一种含铁单原子催化剂，所述含铁单原子催化剂为单分散球形的形态，表面光滑，直径40 nm
±
1nm，继承了母体树脂（酚醛树脂球前驱体）的均匀球形形态，这表明酚醛树脂球是生产碳材料的理想前驱体，存在介孔结构，有利于加快电催化反应的催化动力学，比表面积大，平均为629.5m2g
‑1，进而增加化学反应位点，具有好的石墨化程度，导电性好。
[0005]作为改进的是，上述含铁单原子催化剂按照如下步骤进行制备：步骤1，将3
‑
氨基酚和六亚甲基四胺(HMTA)分散在水中，加入形貌导向剂，在100℃下反应24h，得到酚醛树脂球；步骤2，将0.3g酚醛树脂球加入30 mL浓度为0.1
‑
0.3 mol / L铁盐溶液在25℃下搅拌12
‑
24h，离心后取其沉淀冻干，并将冻干后的产物置于在惰性气氛中700
‑
900℃碳化，保温60min，即得含铁单原子催化剂。
[0006]作为改进的是，步骤1中所述的形貌导向剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)与六亚甲基四胺（HMTA）的摩尔比为(0.1
‑
1)：1。
[0007]作为改进的是，步骤1中3
‑
氨基酚和六亚甲基四胺（HMTA）的摩尔量比为1 : (1
‑
3)。
[0008]作为改进的是，步骤2中搅拌速度为200 rpm。
[0009]上述任一种制备方法所制得的含铁单原子催化剂。
[0010]上述含铁单原子催化剂在制备氧还原催化剂或锌空电池中的应用。
[0011]本专利技术以十六烷基三甲基溴化铵作为形貌导向剂，3
‑
氨基酚和六亚甲基四胺通过简单的自催化醛醇缩合反应制备酚醛树脂球，静电吸附铁离子(Fe
3+
)到合成的酚醛树脂球上，将形成的含Fe
3+
的酚醛树脂纳米球裂解成原子分散的Fe位点，锚定在掺杂氮的碳纳米球上。该催化剂为形状规整的单原子负载的纳米球，所得到的催化剂具有较高的电催化活性和稳定性。
[0012]有益效果：与现有技术相比，本专利技术一种含铁单原子催化剂及其应用，具有如下优势：1、本专利技术制备方法通过简便、可实现规模化生产的静电吸附法制备含铁单原子催化剂，形状规整，具有单分散球形形态，表面光滑，直径40 nm
±
1 nm的均匀纳米球，继承了母体树脂的均匀球形形态，这表明酚醛树脂球是生产碳材料的理想前驱体，样品存在介孔结构，有利于加快电催化反应的催化动力学，并具有较大的比表面积，平均为629.5 m2g
‑1，提高更多的化学反应位点，同时样品石墨化程度好，导电性好；2、该催化剂为单原子催化剂，高效的原子利用率，得到的纯铁单原子催化剂的电催化活性好、稳定性高，是一种极有潜力的阴极氧还原催化剂，并将其应用于锌空电池，具有较好的长效稳定性，较大的开路电压和较高的功率密度。
附图说明
[0013]图1 是实施例1方法制备的酚醛树脂球的低倍TEM图谱；图2 是实施例1方法制备的Fe
‑
SA@N
‑
CSs的SEM图谱；图3 是实施例1方法制备的Fe
‑
SA@N
‑
CSs的HR
‑
TEM图谱；图4 是实施例1方法制备的Fe
‑
SA@N
‑
CSs的在不同背景下的高角环形暗场像
‑
扫描透射电子像(HAADF
‑
STEM)图；图5 是实施例1方法制备的Fe
‑
SA@N
‑
CSs的N2吸附脱附曲线；图6 是实施例1方法制备的Fe
‑
SA@N
‑
CSs的Raman图谱；图7 是实施例1方法制备的Fe
‑
SA@N
‑
CSs的XRD图谱；图8 是实施例1方法制备的Fe
‑
SA@N
‑
CSs与Pt/C的LSV曲线对比图；图9 是实施例1方法制备的Fe
‑
SA@N
‑
CSs与Pt/C得到的固态锌空电池开路电压对比图；图10 是实施例1方法制备的Fe
‑
SA@N
‑
CSs与Pt/C得到的固态锌空电池充放电稳定性对比图；图11 是实施例1方法制备的Fe
‑
SA@N
‑
CSs与Pt/C得到的固态锌空电池的放电曲线和功率密度曲线；图12 是实施例11方法制备的Fe
‑
SA@N
‑
CSs
‑
700的低倍TEM图谱；图13 是实施例12方法制备的Fe2O3@N
‑
CSs
‑
900的低倍TEM图谱；
图14 是实施例1方法制备的含铁单原子催化剂在不同的碳化温度的LSV曲线对比图。
具体实施方式
[0014]为使本专利技术的目的、技术方案及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含铁单原子催化剂，其特征在于，所述含铁单原子催化剂为单分散球形的形态，表面光滑，直径40 nm
±
1nm，存在介孔结构，有利于加快电催化反应的催化动力学，比表面积大，平均为629.5m2g
‑1，进而增加化学反应位点，具有好的石墨化程度，导电性好。2.根据权利要求1所述的一种含铁单原子催化剂，其特征在于，所述含铁单原子催化剂按照如下步骤进行制备：步骤1，将3
‑
氨基酚和六亚甲基四胺分散在水中，加入形貌导向剂，在100℃下反应24h，得到酚醛树脂球；步骤2，将0.3g酚醛树脂球加入到30 mL浓度为0.1
‑
0.3 mol / L铁盐溶液在25℃下搅拌12
‑
24h，离心后取其沉淀冻干，并将冻干后的产物置于在惰性气...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐林，张思可，方琳雅，王睿，周光耀，唐亚文，孙冬梅，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：