[发明专利]一种高效氧还原催化剂的制备方法

说明书

本发明提供一种高效氧还原催化剂的制备方法，所述催化剂为Fe‑N(C)；所述催化剂的制备方法包括普鲁士蓝的制备、前驱体材料MIL‑Fe的制备、煅烧；所述煅烧的方法为取前驱体材料MIL‑Fe和葡萄糖以及尿素溶于去离子水和乙醇的混合溶剂中，超声分散均匀后，蒸发去除溶剂后，以2.5‑3.5℃/min的速率加热至795‑805℃，然后在795‑805℃下保温1.8‑2.2h，冷却至室温即得到Fe‑N(C)催化剂材料；本发明制备的Fe‑N(C)催化剂材料，有效提高了催化剂的电化学活性以及稳定性。

技术领域

本发明涉及一种高效氧还原催化剂的制备方法，属于催化剂技术领域。

背景技术

随着全球经济的不断发展，化石等燃料的消耗将越来越大。但众所周知，石油、煤炭等化石燃料属于不可再生资源，随着不断开发消耗，总有一天将趋近于枯竭。为了改变这种现状，科学家们开始研究太阳能、风能、水能等清洁可持续能源并开发相应的电能存储与转换技术。由于天气、气候、区位等因素的影响，太阳能并不能持续稳定高效的提供能量，如果遇到连日的阴雨连绵，太阳能就会失去它的效力。为了实现能量和效率的最大化，可以将太阳能转化为电能存储起来，等到需要的时候再加以利用，所以太阳能电池板应运而生，其可将太阳能转化为电能，这是利用太阳能有效的方法之一。但是太阳能电池板储能有限，很难大规模的存储多余的电能。一种可行的方案是运用电能来驱动水裂解产生氢气存储多余的电能。因为氢气属于清洁能源，在燃料电池释放电能的过程中不产生污染，并且还具有令人惊讶的能量密度，其能量密度甚至是锂离子电池的十倍以上，近年来作为新的电能存储方式成为电池领域的研究热点。

在电化学能量转换和存储系统（如燃料电池和金属空气电池）以及不同的电化学合成过程中，其整体性能在很大程度上取决于电极上的氧还原反应（ORR）活性。在主要的燃料电池类别中，在电解质膜燃料电池（PEMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、碱性燃料电池（AFC）的阴极上，氧（O₂）被还原成水（H₂O）或羟基离子（OH⁻）；在固体氧化物燃料电池（SOFC）中，氧气在阴极上被还原为O₂⁻离子，然后通过兼容的固体氧化物电解质转移到阳极，并与供应的氢反应生成水。在不同储能系统的阴极上，如锂离子电池、水介质中的金属（锌、铝、铁等）-空气电池等，ORR也起着至关重要的作用，ORR催化剂的开发是燃料电池性能提高的一大难点。

以铂或铂族金属为原料制备的催化剂对ORR具有较好的电催化性能，但这些都是贵金属，它们的高成本大大增加了整个电化学系统的成本；过渡金属如Fe、Ni或Co和嵌入碳质结构中的氮原子组成的的催化剂被称为M/N/C催化剂，其通常被认为是贵金属催化剂有前途的替代者，因为M/N/C催化剂已被证明可以促进高水平的ORR活性，同时具有良好的耐久性，在诸多M-N-C材料中，Fe-N-C催化剂在碱性体系下因其拥有接近甚至优于铂基催化剂的性能而被广泛关注和研究。

在目前所研究的Fe-N-C催化剂中，仍然存在活性位点少，活性密度低的问题且由于其稳定性和循环使用性较差，未能实际应用在工业中。

如果只是简单的增加活性位点的数量又会导致金属原子的聚集，造成活性较低的粒子形成。同时，由于催化ORR反应的反应机理并不清晰准确，因此很难从根本原因上进行改进催化剂。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种高效氧还原催化剂的制备方法，实现以下发明目的：制备的Fe-N(C)材料，电化学氧还原性能和稳定性较好。

为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

一种高效氧还原催化剂的制备方法，所述催化剂为Fe-N(C)；所述催化剂的制备方法包括普鲁士蓝的制备、前驱体材料MIL-Fe的制备、煅烧；所述煅烧的方法为取前驱体材料MIL-Fe和葡萄糖以及尿素溶于去离子水和乙醇的混合溶剂中，超声分散均匀后，蒸发去除溶剂后，以2.5-3.5℃/min的速率加热至795-805℃，然后在795-805℃下保温1.8-2.2h，冷却至室温即得到Fe-N(C)催化剂材料。