[发明专利]一种N掺杂多孔碳包覆Fe、Co双金属纳米粒子的催化剂及其制备方法

说明书

一种N掺杂多孔碳包覆Fe,Co双金属纳米粒子的催化剂及其制备方法，属于能源材料及电化学领域。该催化剂以葡萄糖为C源，g‑C₃N₄为N源及C源及模板，FeCl₃·6H₂O和Co(NO₃)₂·6H₂O为金属源，采用高温分步煅烧法制得种N掺杂多孔碳包覆Fe、Co的Fe‑Co@NC催化剂，催化剂为三维多孔无序堆叠结构。Fe、Co以Fe_0.3Co_0.7、Fe₂O₃、Co物相存在，均匀包覆于N掺杂的多孔碳中。与常用的Pt基催化剂相比，其在碱性介质中ORR性能与商品Pt/C催化相差不大，其OER性能要远高于Pt/C催化剂，具有更高的稳定性和耐甲醇性能。与常见的双金属合金催化剂相比，该催化剂有更多的活性物种，较大的比表面积。此外，该催化剂原料价格低廉且来源丰富，制备过程简单，有利于规模化生产，具有较高的实用价值。

技术领域

本发明属于能源材料及电化学领域，涉及一种应用于燃料电池、电解水及金属-空气电池等领域的氧还原反应和析氧反应的电催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池、金属空气电池、电解水等因其方便、无污染、性能可靠、能量密度高而成为新能源领域研究的热点。然而，这些装置的氧电极反应(此处具体指氧还原反应(Oxygenreduction reaction,ORR)和氧析出反应(Oxygen evolution reaction,OER))动力学过程缓慢、过电势高，因而极大阻碍了其商业化进程。解决此问题的关键在于研发出高效、低成本的ORR和OER催化剂以提高它们的工作效率。目前，Pt基和Ru/Ir基催化剂分别是催化ORR和OER性能最好的催化剂，但均无法作为ORR和OER双效催化剂使用，而且贵金属Pt、Ru、Ir的储量有限、价格昂贵、稳定性差，也限制了它们的大规模应用。因此开发高催化活性、高稳定性且成本低廉的双功能氧电极催化剂具有重要的科学价值和现实意义。

过渡金属-氮-碳催化剂因ORR活性较高、性能稳定、价格低廉等优点而备受关注，然而目前单一金属掺杂的催化剂很难同时具有优异的ORR和OER双催化功能。双金属甚至多金属掺杂催化剂理论上可能提供多种活性位点，有可能同时满足催化ORR和OER过程的要求而作为双效氧电极催化剂使用。文献[Nano Research 2017,10,2332-2343]以C₃N₄为碳源及氮源，Fe(acac)₃及Co(acac)₂分别为Fe源及Co源，通过球磨混合后采用热解法制得了FeCo合金负载在N掺杂石墨烯片的FeCo/NC催化剂。实验结果表明，虽然该催化剂的制备方法简单、比表面积大、稳定性好，但是其活性物质单一，ORR及OER催化性能有待进一步提高。文献[Journal of Colloid and Interface Science 2018,514,656-663]以三聚氰胺为碳氮源，FeCl₃·6H₂O及CoCl₂·6H₂O为金属源采用一步热解法成功制备了CoFe合金粒子部分包覆在N掺杂的碳纳米管内的催化剂(CoFe@NCNTs)。该催化剂其管状结构不仅有利于增加催化剂的活性位，同时也有利于传质的进行，此外该管状结构的催化剂稳定性优越。但其ORR性能及OER性能较差，仍需进一步提高。

综上所述，双金属掺杂的催化剂虽然具有较好的ORR和OER稳定性，但其活性仍不能满足实际应用的需求。究其原因可能是目前的制备方法不能使双金属掺杂的催化剂提供足够多的活性位种类所导致。分步掺杂过渡金属的方法将有两次甚至多次形成活性位的过程，有可能改善“一步制备法”形成的活性位种类不足的现状，可以形成多种活性位构型从而提高催化剂的ORR和OER性能。