[发明专利]一种生物质制备的FeNi3

说明书

本发明公开了一种生物质制备的FeNi₃复合氮掺杂碳纳米管双功能电催化剂，属于锌‑空气电池双功能电催化剂技术领域。该催化剂以玉米芯活性炭为有机碳源，三聚氰胺为氮源，FeCl₃•6H₂O和NiCl₂•6H₂O为金属源，通过一步热解法得到。催化剂继承了玉米芯的三维多孔结构，并在其表面生长出大量的碳纳米管，FeNi合金粒子包裹在碳纳米管中。该催化剂在碱性电解质中表现出良好的氧催化性能和稳定性，其氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）性能优于目前商业贵金属催化剂，其中ORR性能甚至优于目前已报导过的大部分FeNi合金双功能催化剂。且所用的原料来源广泛，可再生，制备工艺简单，在生物质循环利用和锌‑空气电池方向的应用具有巨大的发展潜力。

技术领域

本发明属于锌-空气电池双功能电催化剂技术领域，具体为一种生物质制备的FeNi₃复合氮掺杂碳纳米管双功能电催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

每年大量生物质废料带来的环境问题以及传统能源短缺日趋严重的问题，使可再生的清洁能源及其储存和转换装置愈来愈受到关注。锌-空气电池具有高能量密度，绿色环保和使用安全等优点，被认为是一种有巨大发展前景的储能装置。制约锌-空气电池应用的关键在于，其缓慢的ORR和OER动力学反应。目前，铂基（Pt）催化剂和RuO₂/IrO₂属最有效的ORR和OER的催化剂，但由于贵金属的高成本和稳定性有待提高等不足，使得锌-空气电池的实际应用受到了极大的限制。因此设计并制备低成本高效率的非贵金属双功能催化剂为锌-空气电池发展的有效途径。

多孔碳纳米材料具有独特的结构，较好的导电性、较大的比表面积，且原料来源广泛，越来越受到关注。最近研究表明，N、S、P等杂原子掺杂的碳材料在碱性介质中表现出更高的ORR活性和稳定性，但对其OER的研究尚处于探索阶段。为获得同时具备ORR和OER的催化活性，非贵金属（Fe、Ni、Co、Mn等）与碳材料复合，提高双功能催化剂性能的研究时有报道。其中，过渡金属与氮掺杂碳材料的复合物，被认为是最具发展潜力的非贵金属双功能催化剂之一。

文献显示，N掺杂的多孔碳复合FeNi合金，具有优异的ORR和OER 催化活性。Wang等[Energy Storage Mater.，2018(12):227]采用花生壳作为碳源，采用溶剂热法和热解法对其进行活化处理，将活性炭与铁源和镍源，在900℃下煅烧2h，得到FeNi掺杂多孔碳的复合物。其在碱性溶液中，表现出优于商用贵金属催化剂（Pt/C和IrO₂/C）的ORR、OER催化活性和稳定性。但其制备过程繁琐，热解温度较高，制备方案有待进一步改善。Niu等[Jmaterchem.A， 2020， 8(27): 13725]采用木屑为碳源，采用一步热解法得到N、Fe、Ni掺杂碳纳米管，起始电位为0.94V，半波电位为0.82V。然而，该催化剂的ORR催化活性仍有较大的提升空间。因此，优化制备方案，改善催化剂的ORR和OER催化活性仍为亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术中，大部分生物质废料复合FeNi合金制备过程复杂，热解温度较高，不利于规模化生产，金属粒子团聚现象较严重，无法提供较高的催化性能等问题，提供了一种生物质制备的FeNi₃复合氮掺杂碳纳米管双功能电催化剂及其制备方法与应用。

本发明针对以上问题，选用生物质废料玉米芯为碳源，三聚氰胺为氮源，FeCl₃•6H₂O和NiCl₂•6H₂O为铁源、镍源，采用高温热解的方法于玉米芯三维多孔碳基体上合成了铁镍合金@N掺杂碳纳米管（FeNi₃@NCNT）。选用玉米芯生成的活性炭为原料，可保持其原有的三维多孔通道结构，也为碳纳米管的生长提供了基底，避免了碳纳米管因大量堆积引起的团聚，保持了其丰富的活性位点。铁源和镍源的引入，有效解决了催化剂催化功能单一的问题，从而提高了催化剂的电催化性能。