[发明专利]一种调节碳-氮基单原子铁催化剂中的氮含量的方法

说明书

本发明公开了一种调节碳‑氮基单原子铁催化剂中的氮含量的方法，以不同种类的含N有机分子为C/N源，铁盐为Fe源，将所述含氮有机小分子和所述铁盐分散在有机溶剂中，搅拌使其反应，反应结束后除去溶剂后烘干，将得到的混合物在氮气气氛下进行高温热解(700‑1000℃)；对得到的产物进行酸化、离心、洗涤、干燥等多步处理，再将产物二次高温热解，即得氮含量可调的碳‑氮基单原子铁催化剂。本发明提供了一种简单有效的氮含量可调的碳‑氮基单原子铁催化剂制备方法，制备方法简单、经济，适合工业化大规模生产。

技术领域

本发明属于材料化学和能源电池技术领域，更具体的，涉及了一种调节碳-氮基单原子铁催化剂中的氮含量的方法。

背景技术

燃料电池是一种将物质中的化学能直接转化为电能的装置，阴极的氧还原过程是燃料电池重要的反应过程。由于阴极的氧还原过程会造成过高的过电位，从而降低了电池的性能。因此，为了提高电池的性能，科研工作者都在寻找和开发一种新型的燃料电池的阴极电极材料。

目前，Pt以及合金催化剂是氧还原反应(ORR)最好的催化剂之一，但是，制备成本过高、容易中毒失活、过电位较高及稳定性不佳等限制了这类催化剂的大规模使用。解决这些问题的一个有效途径是设计和制备非铂基催化剂(如过渡金属氧化物、硫化物、碳化物催化剂，各种杂原子掺杂的碳材料催化剂等)，在众多类型的非铂基催化剂中，过渡金属和氮掺杂的碳催化剂(记作TM-N-C催化剂)被认为是非常有应用前景的ORR催化剂。近年来，研究者们对非贵金属单原子催化剂的催化位的结构和催化活性位点进行了仔细研究，研究发现催化剂中的氮能与过渡金属原子配位形成TM-N结构，而这些TM-N结构是TM-N-C催化剂的催化活性位。金属颗粒尺寸减小到原子尺寸时，其比表面积和表面能都将发生倍增，在制备和反应的过程中非常容易发生团聚形成大的团簇，从而导致催化剂活性降低。因此，碳基底物质中的N能够固定和分散金属原子形成TM-N结构，免于发生团聚等现象，对单原子催化剂起到至关重要的影响。因此，改变单原子催化剂中N的含量，将直接影响所制备的单原子催化剂的催化活性。

发明内容

本发明要解决的技术问题的是提供一种调节碳-氮基单原子铁催化剂中的氮含量的方法，满足不同反应中对不同催化活性的需要。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种调节碳-氮基单原子铁催化剂中的氮含量的方法，包括以下步骤：

(1)选用不同的含氮有机小分子作为C/N源，铁盐为Fe源，将所述含氮有机小分子和所述铁盐分散在有机溶剂中，搅拌使其反应，反应结束后除去溶剂后烘干，得到混合物；

(2)将步骤(1)中得到的混合物在氮气气氛下进行第一次高温热解，得到黑色固体；

(3)将步骤(2)中得到的黑色固体进行酸化、离心、洗涤、干燥，得到固体；

(4)将步骤(3)中得到的固体产物进行第二次高温热解，即得碳-氮基单原子铁催化剂；

当所述含氮有机小分子为甲基吡啶时，得到的碳-氮基单原子铁催化剂的氮含量为0.5-0.7％；

当所述含氮有机小分子为2-苯并咪唑基乙腈时，得到的碳-氮基单原子铁催化剂的氮含量为0.75-0.9％；

当所述含氮有机小分子为N-甲基咪唑时，得到的碳-氮基单原子铁催化剂的氮含量为0.95-1.3％；

当所述含氮有机小分子为2-氨基嘧啶时，得到的碳-氮基单原子铁催化剂的氮含量为1.4-1.6％。

步骤(1)中，所述铁盐选自六水合氯化铁、九水合硝酸铁或硫酸铁等其他铁盐(III)中的一种或多种，优选为六水合氯化铁；所述的含氮有机小分子与铁盐的摩尔比为13～2：1；所述有机溶剂选自乙醇、丙酮或氯仿中的一种或多种，所述铁盐在溶剂中的浓度为2-5mol/L，优选2-3mol/L。