用于锌-空气电池的富氮多孔亚微米碳球锚定铁单原子阴极催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了用于锌

【技术实现步骤摘要】
用于锌
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空气电池的富氮多孔亚微米碳球锚定铁单原子阴极催化剂的制备方法


[0001]本专利技术属于电催化材料和新型清洁能源
，具体涉及用于锌
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空气电池的富氮多孔亚微米碳球锚定铁单原子阴极催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]电化学存储和转换设备，如锌空气电池(ZAB)，由于其高耐久性、低成本、高能量密度、出色的安全性和环境友好性，是一种有前途的清洁能源和环境修复技术。然而，锌
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空气电池涉及动力学迟缓的氧还原反应(ORR)，这严重阻碍了锌
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空气电池的应用。具有高活性的铂基催化剂已被认为是一种高效的ORR电催化剂。然而，它们的成本过高，稳定性差，而且储量有限。因此，人们为获得高性能的非贵金属催化剂做出了巨大的努力。此前，氮掺杂碳负载的金属单原子催化剂(M
‑
N
‑
C SAC)凭借最大的原子利用率、明确且可调节的电子结构以及优越的本征催化性能，被认为是Pt基催化剂的最有前途的替代品。
[0003]M
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N
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C SAC的性能主要源于大量呈原子分散的M
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N
x
活性位点的暴露。目前，氮掺杂多级孔碳的高表面积和缺陷被认为是负载单原子的理想载体。M
‑
N
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C SAC一般通过模板法、酸洗和气体处理(N2、H2)等工艺获得。此类制备方法不仅工艺繁琐，产生化学废物，还极易破坏M
‑
>N
x
活性位点的结构。因此，通过无模板的一步法策略实现单原子精确调控仍然是一个巨大的挑战。近年来，金属有机框架(MOFs)由于具有大量的微孔、高表面积和周期性金属
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配体结合位点，被广泛认为是构建氮掺杂多孔碳基单原子催化剂的理想前驱体。然而，MOFs在热解过程中不可避免的氮挥发严重限制了M
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N
x
活性点的形成，从而影响了电催化活性。

技术实现思路

[0004]为了克服以上技术问题，本专利技术的目的在于提供一种用于锌
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空气电池的富氮多孔亚微米碳球锚定铁单原子阴极催化剂的制备方法，该方法制备出的催化剂材料应用于锌
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空气电池中表现出优异的ORR催化性能。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]用于锌
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空气电池的富氮多孔亚微米碳球锚定铁单原子阴极催化剂的制备方法，包括以下步骤；
[0007]步骤1：将金属与氮源通过一锅法制得Fe/Zn
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Ad CSS前驱体；
[0008]步骤2：将步骤1所得前驱体在惰性气体环境升温至900～1000℃并保温1～3小时，即得FeSA/N
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PSCS催化剂。
[0009]优选的，所述步骤1中的金属为六水合硝酸锌和醋酸亚铁。
[0010]优选的，所述步骤1中的氮源为氮含量为51.8％的腺嘌呤生物分子。这样的目的是为了提高前驱体内在氮含量，避免额外补充氮源。
[0011]优选的，所述步骤1中的Fe/Zn
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Ad CSS前驱体经下述步骤制备获得：
[0012]a)将六水合硝酸锌和醋酸亚铁按照一定比例溶解于DMF中，获得溶液A，备用；
[0013]b)在140℃下，将腺嘌呤溶于DMF中，形成透明的溶液B；
[0014]c)将溶液A倒入溶液B中混合搅拌反应2～6小时，待其冷却至室温，然后洗涤、干燥、即得。
[0015]上述制备Fe/Zn
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Ad CSS前驱体过程中，六水合硝酸锌和醋酸亚铁的摩尔比为1:0.001～0.05。这样的目的是因为铁离子和锌离子都可以通过竞争性配位与腺嘌呤发生相互作用，导致一定比例的铁离子位点被锌离子位点取代。较多的Zn离子位点可作为“间隔物”，扩大了相邻Fe原子之间的空间距离，避免了热解过程中金属簇的不可控聚集
[0016]优选的，所述步骤1中的金属与氮源的摩尔比为1:1～3。这样配比目的是为了保证金属离子与氮源完全配位。
[0017]优选的，所述步骤2中的惰性气体为氩气。
[0018]优选的，所述步骤2中的升温速度为3～5℃/min。这样设置的目的是为了保证相转变更稳定。
[0019]通过所述制备方法制备得到的FeSA/N
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PSCS催化剂用于锌
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空气电池。
[0020]本专利技术中，Fe/Zn
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Ad CSS前驱体为大小均一的微球，高温碳化后所得催化剂为大小均一，具有多级孔结构的亚微米球，并且Fe以单原子形式分在在亚微米球上，同时，根据能量色散X射线光谱，FeSA/N
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PSCS中的氮原子负载量为14.81at.％。在0.1M KOH中催化剂表现出优异的ORR性能，将其应用于锌
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空气电池，其功率密度优于基于贵金属组装的锌
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空气电池。
[0021]本专利技术的有益效果：
[0022]1.以具有高含氮量的腺嘌呤生物分子作为配体，有效保持了热解过程中碳骨架的稳定性。重要的是，腺嘌呤具有极高的氮含量(51.8％)和大量的金属配位点，这使得与金属离子更容易配位自组装，并且热解产物中氮含量高达14.81at.％，高于大多数现有技术，进一步提高催化剂的催化活性。
[0023]2.利用Zn离子位点的物理限域作用，限制Fe原子的移动，防止Fe原子的聚集，增强了Fe原子的分散，从而提升了催化剂的稳定性和Fe原子的利用率。
[0024]3.专利技术的制备方法操作简单，避免了酸洗和气体处理(N2、H2)等工艺，且无需外加氮源。
[0025]4.本专利技术作为锌
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空电池阴极材料，表现出优异的性能。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例1制得的Fe/Zn
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Ad CSS
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1的透射电镜(TEM)照片。
[0027]图2为本专利技术实施例1制得的FeSA/N
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PSCS
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1催化剂的扫描电镜(SEM)照片。
[0028]图3为本专利技术实施例1制得的FeSA/N
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PSCS
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1催化剂的双球差矫正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜照片(HADDF
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STEM)。
[0029]图4为本专利技术实施例1制得的FeSA/N
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PSCS
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1催化剂和对比例2制得的Fe/N
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PSCS催化剂的X射线衍射(XRD)图。
[0030]图5为本专利技术实施例1制得的FeSA/N
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PSCS
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1催化剂，对比例1制得的N
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PSCS催化剂，对比例2制得的F本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于锌
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空气电池的富氮多孔亚微米碳球锚定铁单原子阴极催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；步骤1：将金属与氮源通过一锅法制得Fe/Zn
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Ad CSS前驱体；步骤2：将步骤1所得前驱体在惰性气体环境升温至900～1000℃并保温1～3小时，即得FeSA/N
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PSCS催化剂。2.根据权利要求1所述的用于锌
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空气电池的富氮多孔亚微米碳球锚定铁单原子阴极催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的金属为六水合硝酸锌和醋酸亚铁。3.根据权利要求1所述的用于锌
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空气电池的富氮多孔亚微米碳球锚定铁单原子阴极催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的氮源为氮含量为51.8％的腺嘌呤生物分子。4.根据权利要求1所述的用于锌
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空气电池的富氮多孔亚微米碳球锚定铁单原子阴极催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的Fe/Zn
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Ad CSS前驱体经下述步骤制备获得：a)将六水合硝酸锌和醋酸亚铁按照一定比例溶解于DMF中，获得溶液A，备用；b)在140℃下，将腺嘌呤溶于DMF中，形成透明的溶液B；c)将溶液A倒入溶液B中混合搅拌反应2～6小时，待其冷却至室温，然后洗涤、干燥、即得。5.根据权利要求4所述的用于锌
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空气电池的富氮多孔亚微米碳球锚定铁单原子阴极催化剂的制备方法，其特征在于，上述制备Fe/Zn
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Ad CSS前驱体过程中，六水合硝酸锌和醋酸亚铁的摩尔比为1:...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈梦霞，刘俊，王倩玉，杨浩，刘箐箐，齐佳乐，徐鑫玉，孙姣姣，梁婵娟，段超，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：