[发明专利]一种基于十六烷基三甲基溴化铵为碳材料造孔剂的三维多孔Fe-N-C催化剂及制备方法

说明书

本发明属于燃料电池催化剂领域，涉及一种基于十六烷基三甲基溴化铵为碳材料造孔剂的三维多孔Fe‑N‑C催化剂及制备方法。三维多孔Fe‑N‑C电催化剂以邻甲基苯胺为C源及N源，FeCl₃·6H₂O为金属源，CTAB为软模板，SiO₂为硬模板，在N₂气氛下，经高温煅烧得到。制备过程中，通过改变CTAB的浓度可以准确的控制形成胶束的大小及形状，经过高温煅烧后由于CTAB胶束分解，去除模板后最终可形成大量活性位暴露在表面的三维连通多孔结构，保证了催化氧还原反应的活性位数目并能满足传质需求，有利于提高催化剂的ORR活性。与传统的Fe‑N‑C电催化剂相比，该催化剂三维多孔结构更有利于氧气的传输与吸附，且制备过程灵活可控，原料价廉易得，有利于规模化生产，具有较高的实用价值。

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂领域，涉及一种应用于燃料电池阴极氧还原反应电催化剂的制备方法，尤其涉及一种三维多孔材料Fe-N-C电催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池因能量转换效率高、环境友好，且燃料丰富易得，不受卡诺循环限制等特点，引起研究人员的广泛关注。然而，目前燃料电池的应用仍面临严峻挑战，尤其是阴极氧还原反应(Oxygen reduction reaction,ORR)动力学过程较慢，极大限制了燃料电池的商业化应用。目前催化ORR性能最好的催化剂是Pt基催化剂，但Pt储量少、价格昂贵、稳定性较差且抗甲醇能力不足，因此，开发具有高催化活性、良好稳定性和低成本的非Pt基催化剂具有重要的研究意义和应用价值。

目前研究较多的铁-氮-碳(Fe-N-C)催化剂由于具有高效的活性位，其性能可与Pt/C相比拟，然而目前面临的问题是在传质的过程中活性位与氧气接触不充分，致使其催化性能下降。三维多孔结构材料不仅有利于进行传质，并且增大了比表面积，暴露出更多的活性位，有利于氧气与活性位充分接触反应，从而提高其催化ORR能力。多孔Fe-N-C电催化的制备方法多样，目前造孔的方法主要包括模板法、活化法等，其中模板法主要包括软模板和硬模板法。硬模板法由模板母体决定孔结构，相对于软模板改变孔结构较难，因此需结合软模板制备形貌各异的多孔材料。目前软模板法主要有胶束模板法，乳液法，气泡模板法，因此在用软模板时需要综合考虑材料选择模板。软模板法的优势在于：调控胶束浓度可控制合成催化剂的孔形貌及孔径的大小，满足催化材料传质及高密度活性位的需求。

Tang等人(Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,588-593)以PS₁₇₃-b-PEO₁₇₀为软模板，多巴胺为C源、N源，经高温煅烧后由于软模板的分解即可制得多孔催化剂。实验结果表明，该催化剂含氮量较高，稳定性好且制作方法简单，但是该催化剂催化ORR性能与Pt/C相比仍待进一步提高，且采用的模板较贵，因此选择低成本，高性能的催化剂有待进一步研究。

Wang等人(ACS Catal.2015,5,3887-3893)以CdS@mSiO₂为模板，4，4'-联吡啶为C源、N源，FeCl₃·6H₂O为催化剂，高温煅烧制得Fe-N双掺杂的多层多孔碳中空纳米壳催化剂。实验结果表明，该催化剂在酸性、碱性条件下均表现较好的ORR催化性能与较好的稳定性，然而该催化剂在制备过程中存在不足。首先镉(Cd)毒性较大，被镉污染的空气和食物对人体危害严重，并且该催化剂制备过程繁琐，制得形貌单一，不利于实际应用。