[发明专利]一种应用于锌空电池和燃料电池的铁磷氧氮化物制备方法

说明书

本发明公开了一种应用于锌空电池和燃料电池的铁磷氧氮化物制备方法，具体包括如下步骤：首先合成过渡金属与植酸配位形成的金属胶，以过渡金属金属胶为前驱体在惰性气氛下进行高温煅烧，将煅烧后的产物进行酸洗处理，最后以氨气为N源，高温下进行N掺杂得到最终的过渡金属磷氧氮化物。过渡金属氧磷氮化物作为氧还原催化剂具有高的导电性和比表面积，有效降低了ORR的过电位，通过旋转圆盘电极(RDE)以及旋转环盘电极(RRDE)表明其ORR过程为4电子催化机理，是较为理想的ORR反应过程。该电催化剂充分发挥了过渡金属和杂原子元素在电催化方面的协同作用，在锌空电池的应用中表现出优异的催化性能。

技术领域

本发明属于新能源材料技术以及电化学催化领域，具体涉及一种应用于锌空电池和燃料电池的铁磷氧氮化物制备方法。

背景技术

随着世界对能源的需求量增大以及环境问题的日益严重，我们迫切需要一种高效、低成本和环境友好的能源转换和储存系统。燃料电池和燃料电池因能量转化效率高、环境友好且不受卡诺循环限制等特点，引起研究人员的关注。然而燃料电池和锌空电池的应用仍面临着严峻的挑战，尤其是阴极氧还原反应(ORR)动力学过程较慢，极大限制了燃料电池的商业化应用。目前催化ORR性能最好的催化剂是Pt基催化剂，但Pt储量少、价格昂贵、稳定差且抗甲醇能力不足，因此，开发具有高催化活性、良好稳定性和低成本的非Pt基催化剂具有重要的研究意义和应用价值。

目前研究较多的Fe基催化剂，主要通过N掺杂来提高催化剂在催化ORR反应的催化活性，所得催化剂性能可与Pt、C相媲美但仍存在很多问题。同时非金属催化剂也表现出不错的催化活性，非金属催化剂主要通过将碳材料与杂原子进行掺杂，通过杂原子对碳材料电子结构的调整，掺杂富缺陷和边缘碳材料来提高催化剂对ORR反应的催化活性。结合现有的Fe基催化剂和非金属催化剂的研究现状，如何发挥过渡金属和杂原子元素在电催化方面的协同作用，提出Fe与P、N、O掺杂的设想，通过杂原子的掺杂来影响催化剂中Fe和C的电子排布提高催化ORR反应的催化性能，与此同时降低催化剂的成本，克服Pt催化剂价格昂贵性能不稳定等问题，使其应用于燃料电池和锌空电池来降低催化剂的成本，加速燃料电池和锌空电池的推广和应用，具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种应用于锌空电池和燃料电池的铁磷氧氮化物制备方法，该方法简单而且原料价格低廉，通过以铁盐与植酸形成的金属胶为前驱体，碳化后进行氮掺杂，得到催化性能优异的氧还原催化剂。

本发明采取的技术方案为：

一种应用于锌空电池和燃料电池的铁磷氧氮化物制备方法，具体包括如下步骤：

(1)金属胶的制备：室温下，将醋酸铁加入定量植酸中恒温超声使金属盐全部溶解，使铁离子与植酸进行配位形成大分子化合物，；然后向溶液中加入过量有机溶剂产生金属胶沉淀；

(2)碳化：将步骤(1)中所得的金属胶转移至管式炉的瓷舟中，在惰性气体氛围下升温至碳化温度，然后恒温保持数小时，最后自然降温至室温；

(3)酸洗：将步骤(2)得出的样品充分研磨，转移至单口烧瓶中加入酸然后充分超声，然后加热回流12h～24h，通过抽滤分离得到固体并用大量去离子水洗至中性，将固体真空干燥数小时；

(4)制备过渡金属氧磷氮化物：将步骤(3)得到的固体转移至管式炉中的瓷舟中，在惰性气体氛围下升温至高温温度，然后通入氨气，恒温保持数小时，冷却至室温。

进一步的，所述步骤(1)中的醋酸铁和植酸的质量比为1:1～1:5。

进一步的，所述步骤(1)中的有机溶剂为丙酮，将金属胶以沉淀的形式析出，得到金属胶沉淀后倒出溶剂，并反复洗涤金属胶3次。

进一步的，所述步骤(2)中的碳化温度为以5℃/min的速率升温至600℃～1000℃。