[发明专利]稀土氧化物负载铁纳米粒子催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明为一种稀土氧化物负载铁纳米粒子催化剂及其制备方法和应用。该催化剂的组成包括载体、活性组分和碳纳米管；所述的载体为Tbsubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;/Dysubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;稀土氧化物，活性组分为Fe纳米粒子；其中,Fe纳米粒子在催化剂中的质量百分含量为10～15％；多壁碳纳米管在催化剂中的质量百分含量为5～10％；载体在催化剂中的质量百分含量为50～60％；载体中Tb和Dy摩尔比为Tb：Dy＝0.40～0.50：1.10～1.20；制备中采用静电纺丝机制作前驱体。该催化剂用于ORR和OER，具有很好的催化活性。本发明操作流程简单，易于控制；原料为金属氯化物等廉价无毒的化学药品，可有效降低成本，有利于工业化生产。

技术领域

本发明属于高活性催化材料的技术领域，具体涉及一种高活性ORR和OER催化剂的制备方法

背景技术

随着“碳达峰”和“碳中和”的概念不断推出，能源环境污染问题是目前亟待解决的难题。目前开发清洁高效的能源转化装置是解决能源环境污染的一个途径，其中水分解制氢气，开发高比容量的金属空气电池以及固体氧化物燃料电池受到目前社会上的广泛关注，然而传统的贵金属催化剂价格昂贵，存储量低，稳定性差导致其难以大规模商业开发与应用。

高活性ORR和OER催化剂能够有效降低锌空电池电化学极化，同时可以加快氧气参与反应，对提高锌空电池比容量具有重要意义。传统的Pt，Ir和Ru基催化剂对于ORR和OER具有良好的催化性能，但是其只具有单一的ORR或OER催化性能，且存储量低，导致其具有昂贵的价格，难以大规模商业化应用。因此急需开发具有高活性和高选择性的双功能催化剂。

Kim等以火焰喷雾法合成了La_0.2Sr_0.8Co_1-xFe_xO_3-γ，具有高比表面积，暴露了更多的活性位点(J.Am.Chem.Soc.2019.141.5231)。但是采用喷射火焰法过程危险极易引起危险。除此之外。溶液溶胶法也是得到稀土氧化物的一种有效方法，主要是以络合剂得到凝胶前驱体，煅烧后得到氧化物，但是反应过程中会排放有毒气体，污染空气 (ACS.Appl.Mater.Interfaces.2019.11.5084)。

发明内容

本发明的目的在于针对当前技术中存在的不足，提供一种稀土氧化物负载铁纳米粒子催化剂及其制备方法和应用。该催化剂以Tb₂O₃/Dy₂O₃为载体，Fe纳米粒子为活性组分，利用过渡金属与稀土金属之间的强相互作用来实现高效的ORR和OER性能，并将其应用在锌空电池组装上，制备方法采用静电纺丝法制作前驱体。该催化剂用于ORR和OER，具有很好的催化活性。本发明操作流程简单，易于控制；原料为金属氯化物等廉价无毒的化学药品，可有效降低成本，有利于工业化生产。

本发明的技术方案为：

一种稀土氧化物负载铁纳米粒子催化剂，该催化剂的组成包括载体、活性组分和碳纳米管；所述的载体为Tb₂O₃/Dy₂O₃稀土氧化物，活性组分为Fe纳米粒子；其中,Fe纳米粒子在催化剂中的质量百分含量为10～15％；多壁碳纳米管在催化剂中的质量百分含量为5～10％；载体在催化剂中的质量百分含量为50～60％；载体中Tb和Dy摩尔比为Tb：Dy＝0.40～0.50： 1.10～1.20，其余组分为聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯腈等在管式炉高温碳化后的非催化物质以及氨气保温过程中掺入的氮。

所述的催化剂的粒径为200～300μm。

所述的稀土氧化物负载铁纳米粒子催化剂的制备方法，该方法包括如下步骤：