[发明专利]一种非贵金属Fe-N-C催化剂的外加电压性能强化方法

说明书

一种非贵金属Fe‑N‑C催化剂的外加电压性能强化方法，属于能源材料技术领域。在现有Fe‑N‑C催化剂固体粉末的基础上，在常温常压下通过短时间外加电压5V～30V对其进行性能强化处理，在酸性及碱性介质中大幅提高了氧还原电催化性能。特别是在酸性介质中氧还原半波电位提升了5～20mV，具有高长期稳定性能。在质子交换膜燃料电池中，功率密度达到0.75W/cm^‑2以上，在0.8V条件下，比活性达到0.079A/cm²。该强化方法工艺简单高效，无需添加任何活化剂，不产生任何三废环境非常友好，易于工业大规模应用。该技术有助于实现非贵金属催化剂对贵金属的替代，并可应用于其他金属掺杂碳基催化剂的性能强化。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，属于高性能的非贵金属Fe-N-C催化剂的工业化生产和应用，具体涉及一种Fe-N-C催化剂的外加电压性能强化方法和工艺。

背景技术

环保无污染且高能量密度的氢质子交换膜燃料电池(PEMFC)新能源汽车受到了广泛的期待，然而，作为PEMFC最关键的反应之一的氧还原反应(ORR)，其动力学十分缓慢，从而限制了PEMFC的商业化应用。目前通常使用铂基金属催化剂来部分解决这一问题，但是铂金属昂贵的价格且易中毒失活的缺陷限制了其在PEMFC中应用。因此，探索和开发高效、耐用且价格便宜的非贵金属催化剂引起了研究人员的广泛研究。Fe-N-C催化剂因具有较高的活性和稳定性而被认为是不二选择。然而，即使是最先进的Fe-N-C催化剂的性能仍然不能完全取代铂基催化剂，于是许多工艺被开发来致力于进一步提高Fe-N-C催化剂的性能。例如，中国专利申请CN113054205A公开了一种提高非贵金属催化剂活性的热处理工艺，所述热处理工艺指的是在保留传统的高温煅烧处理的基础上对催化剂进行一定的低温保温处理，该工艺部分改善了Fe-N-C催化剂的性能。中国专利申请CN113013428A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，该法通过制备FeCo-N-C催化剂来进一步提高Fe-N-C催化剂的性能，在酸性条件下电催化性能有所提高。

但是，现有技术中大多涉及催化剂的收率很低，导致难以大规模工业制备。与上述方法不同，本专利提出的外加电压性能强化方法有助于大规模制备Fe-N-C催化剂，而且在常温常压下即可进行操作，环境友好不会产生三废。此外还具有一些明显的优势，例如易于调节氧/氮官能团，通过调节显着激活如FeN₄活性位点的固有活性位点类型，避免液相处理引起的催化剂团聚等。这有助于大幅提高了Fe-N-C催化剂的本征活性和长期稳定性能，具有十分重要的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种非贵金属Fe-N-C催化剂的外加电压性能强化方法和工艺，创新性地提出催化剂固态粉末通过外加电压以实现性能强化的新方法，使得处理后的Fe-N-C催化剂在酸性和碱性条件下的半波电势增加5～20mV，并在燃料电池测试中显示出0.75W/cm^-2的高功率密度，所以外加电压性能强化方法有利于Fe-N-C催化剂性能的提高。与传统的未处理非贵金属催化剂相比，经过外加电压性能强化处理后的催化剂在环盘电极测试中催化活性的显著增加，更重要的是其在应用于实际的燃料电池中也表现出更高的功率密度，这表明该固相活化方法有很高的实际商业化价值，且对催化剂制备工艺的改进和放大生产具有重要的借鉴价值。

为了实现发明目的，一种非贵金属Fe-N-C催化剂的外加电压性能强化方法和工艺被发明。本发明采用的技术方案包括如下具体步骤：

步骤一、取一定量的Fe-N-C催化剂固体粉末置于两端开口容器或平板容器中，Fe-N-C催化剂固体粉末在两端开口容器或平板容器中的摆放为连续连贯的，如在管状容器中径面填满或不填满进行轴向连续摆放，在平板容器摆放成连续的线性、或堆积成堆型等；

其中，所述Fe-N-C催化剂为市售或自制的，如高温热解、低温热解、固相合成或液相合成法得到的Fe-N-C催化剂；所述一定量为mg级至g级，装置允许的条件下可达kg级；