一种高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳及其制备方法与应用，该方法先合成ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳及其制备方法与应用
[0001]

[0002]本专利技术涉及一种高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳及其制备方法与应用，适用于作为燃料电池的阴极氧还原电催化。

技术介绍

[0003]可再生 H2‑
O
2 燃料电池是一种可将化学能高效转化为电能的装置，被认为是一种极具发展潜力的可再生能源转化技术。探索和发展廉价、高活性和高稳定性的电催化剂来加快燃料电池的动力学，降低其过电势，也是 H2‑
O2燃料电池的研究重点。ORR 反应能垒高，通常需要催化剂来降低能量转换过程中的能量损耗，从而促进反应的发生。传统的商业 Pt/C 催化剂，成本高、储量少，且稳定性和抗甲醇性较差，在实际生产应用中不能达到令人满意的效果。所以，探索低成本、高活性和高稳定性的 ORR 催化剂成为近年来的热门研究方向。最直接的一个解决方法就是减小纳米颗粒的尺寸，从而降低催化剂的成本。单原子催化剂（SACs）是以单个金属原子为活性位点的催化剂，因其原子利用率高、催化活性高和选择性高而受到越来越多的关注。原则上，SACs将所有的金属原子暴露在表面，因此可以达到100%的原子利用率，这对于降低贵金属基催化材料的成本特别有吸引力。目前虽然在电催化领域取得了很大的进展，但仍然存在金属含量低，稳定性差等问题。
[0004]Pt/C作为ORR的常规商业化催化剂，在催化过程中，极易发生载体腐蚀而性能降低。此外，Pt极易在催化过程中发生溶解和团聚，最终导致电催化性能和稳定性的快速衰减。为了寻找ORR中Pt/C的替代品，地球上丰富的三维过渡金属如锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)，通常通过与氮或其他杂原子物种掺杂结合来以稳定的单个原子形式分散在碳基导电基底上。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳及其制备方法，以及在阴极氧还原电催化方面的应用。本专利技术通过高温碳化预处理后的ZIF
‑
8吸附铁盐的前驱体，所得到Fe单原子均匀分布在氮掺杂的多孔碳中，提高催化剂中Fe的催化活性，也有效地提升了催化剂的稳定性，所得多孔碳具有比表面积大，活性位点多，金属载量大等优点。
[0006]为解决现有技术问题，本专利技术采取的技术方案为：一种高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳的制备方法，先合成ZIF
‑
8，并将ZIF
‑
8置于惰性气体下预处理得前驱体，再将前驱体分散于甲醇中，并加入醋酸亚铁搅拌均匀后，离心干燥，最后惰性气氛下高温煅烧，得高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳。
[0007]作为改进的是，合成ZIF
‑
8的方法为在甲醇溶液中通过静置老化法得到。
[0008]作为改进的是，所述预处理具体为：将合成的ZIF
‑
8置于在惰性气氛下，以2.5~20℃
·
min
‑1的速率升温至150~550℃，并保温10 min ~100 min，冷却至室温得前驱体。
[0009]作为改进的是，醋酸亚铁加入后，铁在体系中的中浓度为1~10 mmol
·
L
‑1。
[0010]作为改进的是，高温煅烧的升温速率为2.5~20℃
·
min
‑1，温度为600~1100℃，煅烧0.5~10 h，自然冷却室温。
[0011]上述任一项制备方法得到的高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳，所述高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳为多孔碳骨架结构，比表面积为1278 m2g
‑1，且Fe原子均匀地嵌入在多孔碳骨架中。
[0012]上述任一项所述的高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳在燃料电池中作为催化剂的应用。
[0013]本专利技术以Fe(Ac)2为金属源，ZIF
‑
8作为载体提供碳源和氮源，先利用对ZIF
‑
8前体进行预处理来增加表面缺陷，再通过后吸附铁盐和高温煅烧制备得到一种高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳，几种优势具体如下：
①
对前体的预处理可以提供更多的金属活性位点和金属载量；
②
Fe原子在ZIF
‑
8前驱体中分布均匀，使得碳基材料中金属物种可以分散良好，提高利用效率和电化学稳定性；
③
多孔的纳米碳骨架结构有利于电解质的传输与扩散，从而有效提升电催化活性；
④
选取具有极高孔隙度和高稳定性的ZIF
‑
8作为碳源和氮源，利用自身高温碳化生成具有更高的石墨化程度和热稳定性的碳载体，在催化过程中比商业化Pd/C更耐腐蚀；
⑤
高温煅烧时，生成N掺杂的多孔碳纳米结构，载体中的N元素会与Fe单原子产生相互作用，从而提高催化剂的催化性能。
[0014]有益效果：与现有技术相比，本专利技术一种高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳及其制备方法与应用，通过简便、可实现规模化生产的低温预处理和高温碳化法制备三维高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳催化剂。所选用的碳源和氮源ZIF
‑
8廉价易制备，与传统制备Fe单原子催化剂的浸渍法等相比，该方法工艺简单易行，成本低廉，设备简单，可实现大规模生产；所得产物尺寸均一、形状规整、比表面积大、活性位点多且金属负载量高，其中，Fe以原子的形式均匀地嵌入在N掺杂的多孔碳中，所得多孔碳具有活性位点多、电催化活性高以及稳定性高和多孔等特点，此外，多孔碳骨架中还含有N元素，由于Fe与N之间的协同作用，所得到的催化剂具有较高的电催化活性和稳定性。
[0015]与购自JohnsonMatthey公司的商业化20 % Pt/C催化剂相比，本专利技术高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳催化剂具有更高的氧还原电催化性能和更好的稳定性，是一种极有潜力的燃料电池催化剂，在未来的能源行业应用前景广阔。
附图说明
[0016]图1为实施例1制备的高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳催化剂的低倍TEM图谱及其相应的粒径分布图；图2为实施例1制备的高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳催化剂的SEM图谱；图3为实施例1制备的高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳催化剂的高倍TEM图谱；图4为实施例1制备的高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳催化剂的球差校正
HAADF
‑
STEM图谱；图5 是根据本专利技术方法制备的高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳催化剂的XRD图谱；图6为实施例1制备的高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳催化剂的热重图谱；图7为实施例1制备的高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳催化剂的拉曼图谱；图8为实施例1制备的高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳催化剂与商业化20% Pt/C对比的氧气电催化还原（ORR）曲线；图9为实施例1制备的高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳催化剂与商业化20% Pd/C对比的耐久力测试的ORR曲线；图10为实施例1制备的高负载量Fe单原子的氮掺杂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳的制备方法，其特征在于，先合成ZIF
‑
8，并将ZIF
‑
8置于惰性气体下预处理得前驱体，再将前驱体分散于甲醇中，并加入醋酸亚铁搅拌均匀后，离心干燥，最后惰性气氛下高温煅烧，得高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳。2.根据权利要求1所述的高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳的制备方法，其特征在于，合成ZIF
‑
8的方法为在甲醇溶液中通过静置老化法得到。3.根据权利要求1所述的高负载量Fe单原子的氮掺杂的多孔碳的制备方法，其特征在于，所述预处理具体为：将合成的ZIF
‑
8置于在惰性气氛下，以2.5~20℃
·
min
‑1的速率升温至150~550℃，并保温10 min ~100 min，冷却至室温得前驱体。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐林，宋文琦，孙冬梅，唐亚文，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：