[发明专利]一种铁、钴、氮共掺杂炭催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种铁、钴、氮共掺杂炭催化剂及其制备方法和应用，采用铁/钴双金属沸石咪唑酯骨架材料作为前驱体，通过高温热解制备得到铁、钴、氮共掺杂炭催化剂；其中，铁/钴双金属沸石咪唑酯骨架材料是在无氧环境下采用硫酸亚铁、硝酸钴和2‑甲基咪唑在溶剂中进行自组装反应制得。本发明制备的铁、钴、氮共掺杂炭催化剂具有优于商业化Pt/C的氧气还原催化活性、电化学稳定性以及抗甲醇中毒能力，同时具有成本低廉、制备方法简单且可实现批量生产等优点。本发明涉及的催化剂可广泛应用于燃料电池、金属‑空气电池等领域。

技术领域

本发明涉及一种铁、钴、氮共掺杂炭催化剂及其制备方法和在燃料电池、金属-空气电池中的应用。

背景技术

燃料电池、金属-空气电池的阴极反应为氧气还原反应，该反应能垒高、动力学过程缓慢，需使用高效催化剂降低反应能垒，以加快反应速率。目前，用于氧气还原反应的商业化催化剂为碳载贵金属铂催化剂（Pt/C），该催化剂具有高效的氧气还原催化性能。然而，贵金属Pt成本高昂，储量稀少且抗甲醇中毒能力差，严重限制了其大规模应用。因此，研究开发低成本、高活性和高稳定性的非贵金属氧气还原催化剂具有重要意义。

目前，过渡金属、氮共掺杂炭（TM-N-C， TM一般为Fe、Co）催化剂是最有希望替代商业化Pt/C的一类非贵金属氧气还原催化剂，其具有制备方法简单、前驱体来源广泛、成本低廉、且催化活性和电化学稳定性优良等优点。该类催化剂公认的催化活性位点是嵌入碳网络中的过渡金属-氮配位结构（TM-N_x），其本征催化活性弱于Pt，催化转化频率（TOF）较低，催化性能与Pt/C催化剂有一定差距。

研究表明，通过优化该类催化剂中催化活性位点的组成，提高活性位点的分散和数量，同时调控催化剂的孔道结构和比表面积，可有效提高氧气还原催化活性。类沸石咪唑酯骨架材料（ZIFs）是过渡金属离子与咪唑配体配位形成的三维、有序、多孔晶体，其过渡金属-氮配位结构密度高、比表面积大且孔结构可调，是制备高活性位点密度、高比表面积和优良孔道结构的TM-N-C催化剂的理想前驱体。以单金属ZIFs（如ZIF-67）为前驱体热解制备的TM-N-C催化剂，析出的金属纳米颗粒团聚现象严重，导致活性位点分散不均匀，氧气还原催化活性下降。此外，单金属ZIFs热解制备的TM-N-C催化剂活性位点较单一（一般为Co-N_x），在碱性尤其酸性电解质催化剂的催化性能也不尽理想。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种铁、钴、氮共掺杂炭催化剂及其制备方法和应用，该制备方法简单高效、可控，成本低廉，可实现批量化生产。

本发明采用如下技术方案，一种铁、钴、氮共掺杂炭催化剂的制备方法，采用铁/钴双金属沸石咪唑酯骨架材料作为前驱体，通过高温热解制备得到铁、钴、氮共掺杂炭催化剂；其中，铁/钴双金属沸石咪唑酯骨架材料是在无氧环境下采用硫酸亚铁、硝酸钴和2-甲基咪唑在溶剂中进行自组装反应制得。本发明设计合成双金属ZIFs（特别是双金属Fe,Co-ZIF）前驱体进行高温热解，利用其中不同金属原子间的间隔作用提高金属纳米颗粒的分散，制得活性位点分散均匀且组成多元化的TM-N-C催化剂，是进一步提升氧气还原催化性能的有效方法。