[发明专利]一种高催化活性的Fe-N-C催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种高催化活性的Fe‑N‑C催化剂的制备方法和应用，涉及金属催化剂技术领域。本发明的制备方法包括：S1、将ZIF‑8载体和铁源进行球磨混合，使铁源嵌入ZIF‑8载体的框架内；S2、对步骤S1的产物进行第一次高温处理；S3、用酸清洗步骤S2的产物，去除多余的铁源；S4、将步骤S3的产物进行二次高温热处理，稳定炭结构，即得高催化活性的Fe‑N‑C催化剂。本发明制备得到的Fe‑N‑C催化剂含有较高浓度的金属单原子和大孔比例，表现出很好的燃料电池催化性能，而且合成方法简单高效。

技术领域

本发明涉及金属催化剂技术领域，特别是涉及一种高催化活性的Fe-N-C催化剂及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池的阴极发生缓慢的氧气还原反应，因此需要高载量的铂基催化剂来加快反应速度以获得一定的电池性能。由于铂基催化剂的价格高昂且耐久性不足，质子交换膜燃料电池的商业化进程受到了限制。开发价格低廉且催化性能优异的阴极催化剂是关键。目前，Fe-N-C非贵金属催化剂表现出优异的氧气还原性能，故而备受关注。传统Fe-N-C催化剂的合成是通过铁盐与碳载体物理混合后通过高温烧结来制备，但是同时也生成了大量没有ORR活性的纳米粒子副产物。为了提高Fe-N-C催化剂的活性，需要尽可能让Fe以单原子的形式分散。二氧化硅和氧化镁模板等方法是通过外加辅助剂限制Fe原子迁移和团聚，以减少副产物的生成。但是，热处理后此类模板的去除需要在强酸强碱等苛刻的环境下，既危险又污染环境，并且还耗时耗能，不利于其工业化推广。近年来，利用金属模板如ZIF-8当作自模板浸渍铁离子后通过高温烧结的方法合成单原子分散的Fe-N-C催化剂，但是该方法存在一定的局限性：1)通过浸渍法吸附铁源造成Fe-N-C催化剂的铁含量较低,使得催化剂的Fe-N活性位点少；2)金属模板烧结后是多边形状的氮掺杂的碳模板，孔隙率小，小孔和介孔是主要的孔隙结构，大孔比例的失衡不利于其在燃料电池测试中传质区的性能。

在公开号为CN110993968A的专利申请中，利用气凝胶为前驱体，二氧化硅纳米粒子作为制孔剂，二价铁和邻二氮菲的络合物作为铁源和氮源合成Fe-N-C催化剂，但此过程需要利用氢氟酸去除二氧化硅纳米粒子，不利于大批量生产。在公开号为CN110947408A的专利申请中，将竹节状碳纳米管与牛血红蛋白混合，获得铁单原子催化剂，此方法的铁源来源比较繁琐且合成的铁单原子密度较低。

因此，亟需一种金属铁原子浓度较高、孔隙比例均衡，合成方法简单高效，具有高催化性的Fe-N-C催化剂。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种具有高催化活性的Fe-N-C催化剂的制备方法，制备得到的Fe-N-C催化剂含有较高浓度的金属单原子和大孔比例，表现出高燃料电池催化性能，合成方法简单高效。

一种高催化活性的Fe-N-C催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、将ZIF-8载体和铁源进行球磨混合，使铁源嵌入ZIF-8载体的框架内；

S2、对步骤S1的产物进行第一次高温处理；

S3、用酸清洗步骤S2的产物，去除多余的铁源；

S4、将步骤S3的产物进行二次高温热处理，稳定炭结构，即得高催化活性的Fe-N-C催化剂。

上述制备方法，以ZIF-8金属框架载体作为模板提供碳源和丰富的氮源，利用球磨的方式将纳米尺寸的铁源均匀分布于ZIF-8金属框架载体中，再利用高温烧结的方式使铁源分解成铁原子，与ZIF-8载体上的氮进行快速配位，增加金属掺杂的比例。球磨的物理混合方法，有利于铁源分散均匀，建立较强的铁源与ZIF-8载体的相互作用，避免铁源在高温环境下相互团聚，同时实现金属活性位点的均匀分散。采用本发明的方法制备得到的Fe-N-C催化剂，含有较高浓度的金属单原子和大孔比例，表现出很高的燃料电池催化性能。