[发明专利]一种新型Fe-N-C氧还原电催化剂及其制备和应用

说明书

本发明公开一种新型Fe‑N‑C氧还原电催化剂及其制备和应用，包括：(1)大豆去皮粉碎处理后进行一定时间的浸提盐析得到大豆蛋白；(2)将上述得到的大豆蛋白与五水氯化铁和三苯基膦，按照一定比例搅拌混合，烘干成不同的前驱体；(3)将上述混合物在氮源气体下煅烧、酸处理、干燥和研磨，得到Fe‑N‑C催化剂。本发明还提供了由上述方法制备得到的Fe‑N‑C催化剂以及该催化剂在催化阴极氧气还原反应中的应用。本发明的催化剂具有出色的ORR活性和抗甲醇干扰性。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，具体涉及一种新型的Fe-N-C氧还原电催化剂及其制备及其应用。

背景技术

在现代城市高速发展进程中，能源的重要性不言而喻。随着化石燃料的过度开发和使用，能源短缺问题愈发严重。与此同时，化石燃料使用过程中排放的污染物还会引发气候变化及环境污染相关问题，这在一定程度上牵制了城市和谐稳定发展。因此，研发绿色可持续的能源利用技术日益受到科研人员的重视。

燃料电池和金属-空气电池是清洁和可持续的能源存储和转换技术，其能量转换效率高，且应用过程中几乎无二氧化碳排放。但是，缓慢的阴极氧还原反应 (oxygenreduction reaction,ORR)速率限制了该技术的发展。铂(Pt)基催化剂是良好的ORR催化剂，但是铂(Pt)原料高额的成本是燃料电池和金属-空气电池商业应用的障碍之一。作为贵金属，铂在地球上储量十分有限，因此，寻找另一种储量丰富、低成本、高效率的催化材料是十分必要的。

先前已有大量非金属催化剂被合成，作为铂基材料在燃料电池和金属-空气电池中的应用替代。由于稳定性好，比表面积高，导电性能优异，碳材料是一类重要的非金属材料。从1D碳纳米管，到2D石墨烯，最后到3D多孔碳材料，均被广泛用于非贵金属ORR催化剂的制备。但碳纳米材料的价格昂贵，这对于期望降低贵金属铂的目的背道而驰。为此，探寻成本合适且环境友好的非贵金属电催化剂以替代铂碳仍然存在巨大挑战。

铁是地壳中含量最丰富的金属元素之一，铁的化学性质活泼，因此，他被广泛用于电催化剂的合成。基于Fe-C的复合催化剂虽然在ORR上展现出了较好的活性，但仍然无法与Pt-C相媲美。氮原子可作为金属原子的锚固中心，改变活性中心的电子结构，对催化剂的电催化活性做出调整，因此氮掺杂通常作为一种催化剂性能改进的有效方法而被广泛使用。通常，在氮掺杂碳上沉积的过渡金属原子表现出较高的催化活性。为此，研发氮掺杂的复合催化是有望过渡金属ORR 催化剂活性不佳的良好策略。

大豆是一类富含植物蛋白的物质，相比于商品化蛋白，具有来源广泛，成本廉价的优点。蛋白是一类同时富含C、N元素的有机大分子，并且其本身富含的氨基和羧基均是良好的铁离子结合位点，他有可能是用于合成Fe-N-C复合电催化剂的良好前驱体材料。基于此，研发基于大豆蛋白的Fe-N-C复合电催化剂将有望解决贵金属铂成本高的问题。本项目即通过制备条件优化，评估利用大豆蛋白作为前驱源合成ORR电催化剂的可行性，通过制备条件优化探寻得到最佳的 Fe投加率，从而提升催化剂活性；在此基础上通过结构解析与性能测试，阐明材料的“构效关系”，从而为设计新型非贵金属ORR催化剂提供新的思路。

公开号为CN109603873A的专利申请公开了一种以废弃柚子皮为碳源的 Fe-N-C催化剂的制备方法，制备方法包括以下步骤：

1)将柚子皮内外表面清理干净后用果汁机搅碎后干燥，得到干燥柚子皮。将干燥柚子皮和氯化铁混合，加入适量水中搅成浆。将混合浆料干燥，刮下研磨，得到混合粉末；

2)将步骤1得到的混合粉末在氨气气氛下管式炉中高温煅烧，煅烧后自然冷却至室温，得到的黑色粉末；

3)放入一定物质的量浓度的盐酸中，搅拌静置，抽滤烘干即得Fe-N-C催化剂；

4)用电化学工作站及旋转圆盘电极测试上述产物的电化学性能。