[发明专利]一种吡啶氮和Fe-N2

说明书

本发明属于燃料电池氧还原催化剂材料技术领域，尤其涉及一种吡啶氮和Fe‑N₂共掺杂碳纳米纤维及其制备方法和应用。本发明首先对基底进行表面粗化及化学气相沉积处理，得到碳纳米纤维；其次对碳纳米纤维进行化学“裁剪”及氮掺杂，得到吡啶氮掺杂的碳纳米纤维；最后将其在铁盐溶液中浸渍并热处理，形成Fe‑N₂，得到吡啶氮和Fe‑N₂共掺杂的碳纳米纤维。本发明通过控制所掺杂元素的特定形态及掺杂量，有效增加了碳纳米纤维上的活性催化位点，使其具有优于元素非特定形态共掺杂碳纳米纤维以及商业铂碳的氧还原催化性能，具有较好的实用性，为进一步提高碳纳米材料基催化剂的氧还原催化性能提供了新的思路和方向。

技术领域

本发明属于燃料电池氧还原催化剂材料技术领域，尤其涉及一种吡啶氮和Fe-N₂共掺杂碳纳米纤维及其制备方法和应用。

背景技术

环境污染和能源危机是当今社会发展面临的两大难题，积极寻找高效、环保的能源转换装置具有深远的战略意义，燃料电池作为解决化石类燃料燃烧发电效率低和污染环境问题的有效手段之一，已成为清洁能源领域的研究热点。目前，燃料电池常使用铂等贵金属材料制备氧还原催化剂（阴极催化剂）以获得较高的催化活性，但贵金属储量少、价格昂贵、使用寿命较短而无法进行大规模商用。因此，研发高效且低成本的非贵金属氧还原催化剂成为促进燃料电池商业化应用的关键突破点。

近年来，对非贵金属氧还原催化剂的研究多为碳纳米材料基催化剂，其中金属-氮共掺杂碳纳米材料表现出与商业铂碳不相上下的催化性能，且制备成本较低，使燃料电池商业化成为可能。目前碳纳米材料中的掺杂组分大多是单纯元素的掺杂，如专利号CN110010909 A的专利提供一种钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法及应用，专利号CN109950562 A的专利公开一种镍、钴、氮共掺杂纳米纤维催化剂的制备方法及应用，对碳材料中元素的掺杂均停留在原子层面，制得的催化剂仅能达到与商业铂碳相近的氧还原性能。但是，如果能够控制对碳纳米材料进行元素特定形态的掺杂，并通过掺杂增加材料的活性催化位点，将对进一步提高材料的氧还原催化性能提供一种新的思路。

发明内容

针对目前碳纳米材料的元素掺杂均停留在原子层面、活性催化位点少导致氧还原催化性能不佳的技术问题，本发明提出一种吡啶氮和Fe-N₂共掺杂碳纳米纤维及其制备方法和应用。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种吡啶氮和Fe-N₂共掺杂碳纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）准备碳材料基底，优选为炭纸基底，将炭纸基底经浓度为0.1~9M的硝酸溶液刻蚀后，投入到浓度为0.1~18wt.%的过渡金属盐的酒精溶液中进行浸渍，随后进行化学气相沉积，即将浸渍结束的炭纸基底在流量为0.1~6 L·min^-1的氮气或氩气气氛下加热至450~650℃，后通入流量为0.1~6 L·min^-1的氢气保温0.1~4h，再继续加热至450~850℃，然后通入流量为0.1~4 L·min^-1的碳源气体保温0.1~4h，最后降至室温，得到碳纳米纤维。

（2）将步骤（1）的碳纳米纤维经浓度为10~22 mol·L^-1的氢氟酸溶液浸渍0.1~3h后，先在流量为0.1~6 L·min^-1的氮气或氩气气氛下加热至400~700℃，再在流量为0.1~4L·min^-1的氨气气氛下保温0.1~8h，最后降至室温，得到吡啶氮掺杂的碳纳米纤维。

（3）将步骤（2）的吡啶氮掺杂的碳纳米纤维经浓度为0.1~10wt.%的铁盐的酒精溶液浸渍后，在流量为0.1~6 L·min^-1的氮气或氩气气氛下加热至400~700℃后保温0.1~5h，再降至室温，随后投入浓度为0.1~10wt.%的稀强酸溶液浸渍，即得吡啶氮和Fe-N₂共掺杂的碳纳米纤维。