一种铁氮共掺杂炭黑基催化剂及其制备方法及应用技术

本发明专利技术提供一种铁氮共掺杂炭黑基催化剂及其制备方法及应用，将酸化的炭黑与含铁氮大分子醇溶液混合，加热，搅拌得到分散液2；对分散液2进行固液分离，对得到的固体反应物进行干燥，煅烧，得到反应物2；反应物2在酸性条件下刻蚀后，洗涤、干燥得到铁氮共掺杂炭黑催化剂，制得具有高铁负载量的铁氮共掺杂炭黑催化剂，该催化剂以酸化的炭黑作为导电基底，其上吸附有溶于醇中的含铁氮大分子，含铁氮大分子具有亲水官能团，Fe的负载量由含铁氮大分子的量确定，催化剂的氧还原反应的性能均显著优于商业Pt/C，具有良好的稳定性，在电催化氧还原反应领域和锌

【技术实现步骤摘要】
一种铁氮共掺杂炭黑基催化剂及其制备方法及应用


[0001]本专利技术属于催化剂制备
，具体属于一种铁氮共掺杂炭黑基催化剂及其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]锌
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空气电池具有理论容量高、环境友好的特点受到人们的广泛关注。然而其空气阴极上缓慢的氧还原反应(ORR)阻碍了锌
‑
空气电池的进一步发展。尽管铂基催化剂作为普遍的商用ORR催化剂已被广泛应用，但是作为贵金属储量稀少，价格昂贵。并且其稳定性无法满足人们的需求。因此，亟需开发出一种廉价的高性能的催化剂。
[0003]过渡金属元素相比于贵金属其含量更丰富，成本更低廉，因此研究人员希望其作为铂基催化剂的替代品。经研究发现具有Fe
‑
N
‑
C结构的铁氮共掺杂碳基催化剂的ORR活性足以和贵金属媲美。然而为了防止活性中心的团聚，其铁含量通常在0.1～0.8wt.％。这使得其ORR性能难以进一步提高。虽然一些有机大分子(如酞菁铁等)中铁含量超过1wt.％并且直接具备Fe
‑
N
‑
C结构，但是其极差的溶解性限制了其作为催化剂的进一步应用。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种铁氮共掺杂炭黑基催化剂及其制备方法及应用，该方法简易高效，原材料成本较低，可制备出高负载量的铁氮共掺碳基催化剂，在ORR领域有极大的应用价值。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种铁氮共掺杂炭黑催化剂，以酸化的炭黑作为导电基底，其上吸附有溶于醇中的含铁氮大分子，所述含铁氮大分子具有亲水官能团，所述催化剂上铁的负载量由含铁氮大分子的量确定。
[0006]进一步的，所述含铁氮大分子为羟高铁血红素。
[0007]本专利技术还提供一种铁氮共掺杂炭黑催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1将酸化的炭黑与含铁氮大分子醇溶液混合，加热，搅拌得到分散液2；
[0009]S2对分散液2进行固液分离，对得到的固体反应物进行干燥，煅烧，得到反应物2；
[0010]S3反应物2在酸性条件下刻蚀后，洗涤、干燥得到铁氮共掺杂炭黑催化剂。
[0011]进一步的，S1中，将质量比为1:100～1:750的炭黑与纯硝酸混合，在60℃～80℃下处理24h～72h，进行酸化。
[0012]进一步的，S1中，在酸化的炭黑中加入0.2mmol/L～15mmol/L的含铁氮大分子乙醇溶液，在40℃～70℃条件下以600rpm～1000rpm的转速搅拌24h～72h，得到分散液2。
[0013]进一步的，S2中，将分散液2以6000rpm～10000rpm的转速离心5min～20min进行固液分离，得到的固体反应物在真空度为
‑
3000kpa～
‑
2000kpa，40℃～80℃条件下进行干燥。
[0014]进一步的，S2中，所述煅烧为在保护气氛中以800℃～1000℃煅烧1h～3h，升温速率为2℃
·
min
‑1～10℃
·
min
‑1。
[0015]进一步的，S3中，所述刻蚀选用0.05mol/L～0.3mol/L的稀盐酸，刻蚀时间为20min
～120min。
[0016]进一步的，S3中，所述干燥为在真空度
‑
3000kpa～
‑
2000kpa、40℃～80℃条件下进行干燥。
[0017]进一步的，铁氮共掺杂炭黑催化剂作为空气阴极。
[0018]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0019]本专利技术提供一种铁氮共掺杂炭黑基催化剂，以酸化炭黑作为导电基底，其上吸附的含铁氮大分子作为ORR的活性中心，因为含铁氮大分子具有亲水官能团，其可以充分溶于醇中，炭黑可以充分吸附醇中的含铁氮大分子，含铁氮大分子作为铁源和氮源，可以通过调控含铁氮大分子的量来调控催化剂中Fe的负载量，从而得到高Fe负载量的铁氮共掺杂炭黑基催化剂。
[0020]本专利技术提供一种铁氮共掺杂炭黑催化剂的制备方法，将酸化后的炭黑加入到含铁氮大分子醇溶液中，经过充分搅拌，离心干燥并煅烧，之后在酸中刻蚀并洗涤干燥得到铁氮共掺杂炭黑催化剂，含铁氮大分子作为铁源和氮源为铁源和氮源通过调控含铁氮大分子的用量即可制备出较高铁负载量(1.1wt.％)的铁氮共掺杂炭黑基催化剂，方法简便，无需其他过程，所需原料成本较低，获取简便，在电催化ORR领域有极大的应用价值。
[0021]进一步的，本专利技术以羟高铁血红素作为有机大分子，相比于传统的酞菁铁，其含有
‑
OH、
‑
COOH等亲水官能团显著改善了溶解性，因此可溶于乙醇中被炭黑充分吸附，并且羟高铁血红素中稳定的Fe
‑
N4配位结构在煅烧过程能有效抑制Fe的团聚，依旧可以作为ORR的单原子活性中心。
[0022]进一步的，与商用铂碳催化剂相比，本专利技术制备的铁氮共掺杂炭黑基催化剂具有更好的性能和良好的稳定性，其作为空气阴极组装的锌
‑
空气电池的功率密度可达90mW cm
‑2，可以促进锌
‑
空气电池的进一步发展。
附图说明
[0023]图1是羟高铁血红素的分子结构示意图。
[0024]图2是实施例1所得铁氮共掺杂炭黑催化剂的XRD图。
[0025]图3是实施例1所得铁氮共掺杂炭黑催化剂的TEM图。
[0026]图4是实施例1所得铁氮共掺杂炭黑催化剂的孔径分布图。
[0027]图5是实施例1所得铁氮共掺杂炭黑催化剂氧还原反应的稳定性。
[0028]图6是实施例1所得铁氮共掺杂炭黑催化剂与商业铂碳(Pt/C)催化剂的氧还原反应极化曲线。
[0029]图7是实施例1所得铁氮共掺杂炭黑催化剂与商业氧化铱(IrO2)催化剂的锌
‑
空气电池放电过程的极化曲线和功率密度曲线。
[0030]图8是实施例2
‑
5所得铁氮共掺杂炭黑催化剂的氧还原反应极化曲线。
[0031]图9是实施例1
‑
5所得铁氮共掺杂炭黑催化剂的铁含量。
[0032]图10是实施例4所得铁氮共掺杂炭黑催化剂的TEM图。
[0033]图11是实施例5所得铁氮共掺杂炭黑催化剂的TEM图。
具体实施方式
[0034]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。
[0035]本专利技术提供一种铁氮共掺杂炭黑催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0036]步骤1，将质量比为1:60～1:750的炭黑与纯硝酸混合，在60℃～80℃下处理24h～72h，得到分散液1；
[0037]步骤2，在分散液1中加入0.2mmol/L～15mmol/L的含铁氮大分子醇溶液，在40℃～70℃下以600rpm～100本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁氮共掺杂炭黑催化剂，其特征在于，以酸化的炭黑作为导电基底，其上吸附有溶于醇中的含铁氮大分子，所述含铁氮大分子具有亲水官能团，所述催化剂上铁的负载量由含铁氮大分子的量确定。2.根据权利要求1所述的一种铁氮共掺杂炭黑催化剂，其特征在于，所述含铁氮大分子为羟高铁血红素。3.权利要求1或2中所述的一种铁氮共掺杂炭黑催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1将酸化的炭黑与含铁氮大分子醇溶液混合，加热，搅拌得到分散液2；S2对分散液2进行固液分离，对得到的固体反应物进行干燥，煅烧，得到反应物2；S3反应物2在酸性条件下刻蚀后，洗涤、干燥得到铁氮共掺杂炭黑催化剂。4.根据权利要求3所述的一种铁氮共掺杂炭黑催化剂的制备方法，其特征在于，S1中，将质量比为1:100～1:750的炭黑与纯硝酸混合，在60℃～80℃下处理24h～72h，进行酸化。5.根据权利要求3所述的一种铁氮共掺杂炭黑催化剂的制备方法，其特征在于，S1中，在酸化的炭黑中加入0.2mmol/L～15mmol/L的含铁氮大分子乙醇溶液，在40℃～70℃条件下以600rpm～1000rpm的转速搅拌24h～72h，得到分散液2。6.根据权利要求3所述的一种铁氮共掺杂炭黑催化剂的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：江瑞斌，王宇阳，刘佳琦，
申请(专利权)人：延安市质量技术检测研究院，
类型：发明
国别省市：