[发明专利]一种Fe,Co双金属掺杂介孔碳氧还原催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种Fe,Co双金属掺杂介孔碳氧还原催化剂的制备方法及应用。该方法为将2‑甲基咪唑溶解在甲醇溶液中，得到的溶液命名为A溶液；将六水合硝酸锌溶解在甲醇溶液中，得到的溶液命名为B溶液；然后在搅拌的条件下将B溶液加到A溶液中，室温下搅拌得到白色的悬浊液ZIF‑8，再向其中加入乙酰丙酮铁和乙酰丙酮钴，再搅拌后转入聚四氟乙烯中水热反应，所得产物经离心、洗涤、干燥、热处理，即得。该方法制备成本低廉，过程简单，能够重复操作，克服了催化剂热解过程中团聚的问题；该催化剂载量高，具有良好的催化活性和稳定性，在酸性条件下半波电位达到了0.81V，经过40000s的计时电流测试后为88.6％。

技术领域

本发明属于新能源材料领域，具体涉及一种Fe,Co双金属掺杂ZIF-8衍生碳氧还原催化剂的制备及在质子交换膜燃料电池阴极中的应用。

背景技术

能源紧缺和环境污染等是人类社会亟待解决的两大问题，因此急需开发新型的、清洁高效的可持续发展能源来替代传统的化石能源。诸多新型能源中，燃料电池因其高效、环保和反应物来源不限等优点，被认为是21世纪最有前景的产能形式。然而，燃料电池的阴极氧还原反应速率非常缓慢，尽管使用的Pt/C催化剂活性良好，但Pt的价格高昂、储量有限、不足的耐久性和较差的抗甲醇性，极大的限制了燃料电池的大规模商业化发展。因此非常有必要研究和开发低成本、高活性的非贵金属氧还原催化剂，以替代昂贵的Pt/C催化剂。

近年来，非贵金属催化剂(M-N-C，M＝Fe、Co)因具有良好的催化活性而受到广泛关注，目前非贵金属催化剂大都是单一金属，但此类催化剂的活性和稳定性仍有很大的不足，难以满足燃料电池商业化的需求。近来的研究表明双金属掺杂碳基催化剂具有更好的活性和稳定性，基于此本专利开发了以ZIF-8为前驱体的高性能Fe,Co双金属掺杂介孔碳氧还原催化剂。该催化剂的制备方法简单、成本低廉且金属分散均匀，具有非常广阔的应用前景，对于推动燃料电池的商业应用具有重要意义。

发明内容

本发明在于提供了一种Fe,Co双金属掺杂ZIF-8衍生碳氧还原催化剂及其制备方法和应用，利用2-甲基咪唑和六水合硝酸锌为原料合成ZIF-8载体前驱体，采用水热法合成Fe,Co双金属共掺杂ZIF-8衍生碳氧还原催化剂，解决了催化剂前驱体在热解过程中出现的大量团聚以及单一金属催化剂载量低的问题；本发明制备的催化剂颗粒大小均匀，催化剂载量高，具有良好的催化活性和稳定性，在酸性条件下半波电位达到了0.81V(vs.RHE)，经过40000s的计时电流测试后为88.6％(质量活性仅衰减11.4％，远低于商业Pt/C活性衰减(65.6％)。

本发明的催化剂通过下述技术方案实现：

将2-甲基咪唑溶解在甲醇溶液中，得到的溶液命名为A溶液；将六水合硝酸锌溶解在甲醇溶液中，得到的溶液命名为B溶液；然后在搅拌的条件下将B溶液加到A溶液中，室温搅拌得到白色的悬浊液ZIF-8，再向其中加入乙酰丙酮铁(III)和乙酰丙酮钴(II)，再搅拌后转入聚四氟乙烯中水热反应，所得产物经离心、乙醇洗涤三次，并60℃真空干燥；所得的前驱体记为Fe_1-x/Co_x-ZIF-8(x＝0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1)。将产物转移到瓷舟中，置于管式炉中热处理，得到Fe,Co双金属掺杂ZIF-8衍生的非贵金属催化剂Fe_1-x/Co_x-NC(x＝0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1)。

优选的，所述的混合溶液A为将1.314g 2-甲基咪唑加入到15mL甲醇中，所述的混合溶液B为将1.19g六水合硝酸锌加入到30mL甲醇中；

优选的，所述的B溶液加到A溶液后的室温搅拌时间为24h；

优选的，所述的乙酰丙酮铁(III)和乙酰丙酮钴的摩尔比为(1-x)/x，其中铁和钴的摩尔总量与六水合硝酸锌中的锌的摩尔比为1/6，即(Fe+Co)/Zn＝1/6；