[发明专利]一种基于层状MOF衍生的Fe基双金属锌空电池阴极催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于层状MOF衍生的Fe基双金属锌空电池阴极催化剂及其制备方法，其制备方法包括模板材料的合成和催化剂的合成。首先将稀土金属化合物和铁的化合物混合后，加入氧化石墨烯溶液中反应，将金属中心固定于氧化石墨烯表面，再加入有机配体，使配体与金属离子进行自由组织，从而形成3D状结构，最后在Ar流中高温煅烧，即可制得。本发明采用稀土金属氧化物包裹变价金属氧化物，可以提高催化剂和电池的循环使用寿命，可以解决现有锌空电池阴极催化剂ORR和OER反应活性较低的问题，通过该锌空气电池阴极催化剂制备得到的液态锌空电池和固态锌空电池的稳定性分别可以达到1000h和2600cycles以上。

技术领域

本发明涉及金属空气电池催化剂制备技术领域，具体涉及到一种基于层状MOF衍生的Fe基双金属锌空电池阴极催化剂及其制备方法。

背景技术

在当今社会，为应对能源短缺和环境污染的挑战，探索可持续的清洁能源储存和转换装置已成为人们关注的焦点。而锌空气电池因其具有高能量密度和高安全性的特点，受到了人们的广泛关注。然而，由于氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的反应动力学缓慢，导致其商业化受阻。更严重的是，尽管ORR和OER发生在同一装置中，但反应的催化活性位点和机理各不相同，因此，开发能同时对ORR和OER反应进行有效催化的双功能催化剂，在目前来说，仍是一个挑战。

到目前为止，Pt/C材料和RuO₂材料仍然是最有效的ORR和OER催化剂。然而，物理混合的Pt/C-RuO₂催化剂存在价格高、稀缺、不稳定等诸多缺陷，促使人们开发具有高性价比的双功能催化剂来替代这些贵金属催化剂。

近年来，人们在贵金属催化剂的替代材料方面做了大量的工作，碳基非贵金属复合材料(如Fe、Co、Ni、Cu、Mn基复合材料)因其高孔隙率和导电性受到了广泛的关注。然而，它们大多只在ORR或OER一种反应中具有较高的活性。此外，催化活性位点的聚集和腐蚀往往也会导致锌空气燃料电池催化剂的循环性能较差，因此这些催化剂的性能与实际应用仍有很大的差距。为了解决这一问题，一些半导体材料，如CeO₂，TiO₂和TiN，已经被应用于制备一些复合催化剂用于电催化领域。然而，半导体催化剂的低导电性和低比表面积等固有缺陷限制了其电催化性能。因此，智能的设计是制备具有高导电性、高暴露活性位点、高稳定性和高效率的低成本双功能催化剂的必要条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于层状MOF衍生的Fe基双金属锌空电池阴极催化剂及其制备方法，可以解决现有锌空电池阴极催化剂ORR和OER反应过程缓慢致其活性低、以及催化剂稳定性不高等问题。

为达上述目的，本发明提供了一种基于层状MOF衍生的Fe基双金属锌空电池阴极催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)模板材料的合成

S1配制浓度为1.0-2.0mg/mL氧化石墨烯的水溶液；

S2将Eu(NO₃)₃·6H₂O与FeSO₄·6H₂O按摩尔比为1-3：1-7的比例称取，并加入去离子水，超声形成混合溶液；

S3将步骤S1制备的氧化石墨烯溶液与步骤S2制备的混合溶液混合后，于80-100℃温度下搅拌反应1-2h；

S4将1,10-邻菲罗啉和吡啶-3,5-二羧酸按摩尔比为1-2:1的比例称取，并加入去离子水超声反应后，再搅拌反应1-2h后，备用；

S5将步骤S3与步骤S4配制的溶液混合后，加入NaOH溶液，搅拌，反应0.5-1h；

S6将步骤S5搅拌后的溶液于80-100℃条件下反应23-25h后，制得Fe-Eu-MOF/GO；