[发明专利]用于锌-空气电池的富氮多孔亚微米碳球锚定铁单原子阴极催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了用于锌‑空气电池的富氮多孔亚微米碳球锚定铁单原子阴极催化剂的制备方法，包括以下步骤；步骤1：将金属与氮源通过一锅法制得Fe/Zn‑Ad CSS前驱体；步骤2：将步骤1所得前驱体在惰性气体环境升温至900～1000℃并保温1～3小时，即得FeSA/N‑PSCS催化剂。本发明制备出的催化剂材料应用于锌‑空气电池中表现出优异的ORR催化性能。

技术领域

本发明属于电催化材料和新型清洁能源技术领域，具体涉及用于锌-空气电池的富氮多孔亚微米碳球锚定铁单原子阴极催化剂的制备方法。

背景技术

电化学存储和转换设备，如锌空气电池(ZAB)，由于其高耐久性、低成本、高能量密度、出色的安全性和环境友好性，是一种有前途的清洁能源和环境修复技术。然而，锌-空气电池涉及动力学迟缓的氧还原反应(ORR)，这严重阻碍了锌-空气电池的应用。具有高活性的铂基催化剂已被认为是一种高效的ORR电催化剂。然而，它们的成本过高，稳定性差，而且储量有限。因此，人们为获得高性能的非贵金属催化剂做出了巨大的努力。此前，氮掺杂碳负载的金属单原子催化剂(M-N-C SAC)凭借最大的原子利用率、明确且可调节的电子结构以及优越的本征催化性能，被认为是Pt基催化剂的最有前途的替代品。

M-N-C SAC的性能主要源于大量呈原子分散的M-N_x活性位点的暴露。目前，氮掺杂多级孔碳的高表面积和缺陷被认为是负载单原子的理想载体。M-N-C SAC一般通过模板法、酸洗和气体处理(N₂、H₂)等工艺获得。此类制备方法不仅工艺繁琐，产生化学废物，还极易破坏M-N_x活性位点的结构。因此，通过无模板的一步法策略实现单原子精确调控仍然是一个巨大的挑战。近年来，金属有机框架(MOFs)由于具有大量的微孔、高表面积和周期性金属-配体结合位点，被广泛认为是构建氮掺杂多孔碳基单原子催化剂的理想前驱体。然而，MOFs在热解过程中不可避免的氮挥发严重限制了M-N_x活性点的形成，从而影响了电催化活性。

发明内容

为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种用于锌-空气电池的富氮多孔亚微米碳球锚定铁单原子阴极催化剂的制备方法，该方法制备出的催化剂材料应用于锌-空气电池中表现出优异的ORR催化性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

用于锌-空气电池的富氮多孔亚微米碳球锚定铁单原子阴极催化剂的制备方法，包括以下步骤；

步骤1：将金属与氮源通过一锅法制得Fe/Zn-Ad CSS前驱体；

步骤2：将步骤1所得前驱体在惰性气体环境升温至900～1000℃并保温1～3小时，即得FeSA/N-PSCS催化剂。

优选的，所述步骤1中的金属为六水合硝酸锌和醋酸亚铁。

优选的，所述步骤1中的氮源为氮含量为51.8％的腺嘌呤生物分子。这样的目的是为了提高前驱体内在氮含量，避免额外补充氮源。

优选的，所述步骤1中的Fe/Zn-Ad CSS前驱体经下述步骤制备获得：

a)将六水合硝酸锌和醋酸亚铁按照一定比例溶解于DMF中，获得溶液A，备用；

b)在140℃下，将腺嘌呤溶于DMF中，形成透明的溶液B；

c)将溶液A倒入溶液B中混合搅拌反应2～6小时，待其冷却至室温，然后洗涤、干燥、即得。

上述制备Fe/Zn-Ad CSS前驱体过程中，六水合硝酸锌和醋酸亚铁的摩尔比为1:0.001～0.05。这样的目的是因为铁离子和锌离子都可以通过竞争性配位与腺嘌呤发生相互作用，导致一定比例的铁离子位点被锌离子位点取代。较多的Zn离子位点可作为“间隔物”，扩大了相邻Fe原子之间的空间距离，避免了热解过程中金属簇的不可控聚集