[发明专利]一种单原子铁分散的氧还原电催化剂的制备方法

说明书

一种单原子铁分散的氧还原电催化剂的制备方法，属于电催化技术领域。利用廉价的且富氮的g‑C₃N₄为原料，加入表面活性剂，铁源，经过高温热解得到了单原子铁分散的电催化剂。该催化剂具有合成方法简单、无污染，反应物廉价易得等特点，制备出的催化剂在酸性表现出与铂碳相当的电化学性能，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明是关于一种单原子铁分散的氧还原电催化剂的新的制备方法，属于电催化技术领域。

背景技术

随着化石燃料的大量燃烧与排放，人类面临着环境恶化和能源短缺的重大问题。因此，寻找和开发一种绿色、环保和可持续发展的清洁能源是当前研究工作者的主要任务。燃料电池作为一种新型的能源，是一种将化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，在电池的阳极发生氢气的氧化反应，阴极发生氧气的还原反应，燃料电池的整个反应过程中唯一的产物是水，不带来任何复杂的副反应以及副产物，它具有转换效率高、无污染、噪音低及可靠性高等优点，最近几年受到了人们的广泛关注，尤其是现在最具有潜力商业化的质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池将在不久的将来发挥着重要的作用，它被称为是电动汽车的终极电源。

但是燃料电池至今为止还没有商业化的原因是，无论是在阳极还是在阴极发生的化学反应都需要贵金属铂作为催化剂，否则反应进行的慢，使得电池的性能大大衰减。据统计，一台100kW的燃料电池汽车约需100g的Pt，而地壳中Pt的储量仅为39000t。铂稀缺性导致燃料电池汽车的成本过高。并且阴极氧还原(ORR)的反应速率比阳极氢氧化反应(HOR)的速率小几个数量级，所以阴极上的氧还原反应是研发燃料电池的关键。目前，研制非贵金属催化剂来代替贵金属铂是燃料电池的研究重点方向。当前研究大致分为两个方向：第一，研制出铂含量较低的催化剂，如铂金属合金结构、核壳结构；第二，使用非贵金属来完全代替贵金属铂，如在碳材料中掺杂一些非金属或者是非贵金属。异原子掺杂碳材料具有成本低、性能好、抗甲醇、抗一氧化碳等优异特性，为燃料电池的商业化发展提供了有力的技术支持。自从1964年Jasinski发现钴酞菁在碱性电解液中能够催化氧的还原以来，异原子掺杂碳材料在电化学上迅速发展起来。随着研究的不断进行与深入，异原子掺杂碳材料在碱性条件下的氧还原电催化性能可以达到与铂碳相当的水平，并且在稳定性以及抗甲醇性上超过了商业铂。

燃料电池按照电解液的不同大致上分为两种：一种是碱性燃料电池，一种是酸性燃料电池，在酸性燃料电池中质子交换膜燃料电池是人们认为最有发展前景的一类电池，这是因为质子交换膜燃料电池它提供的能量密度是碱性燃料电池、锂电池、甲醇燃料电池的3-10倍左右，这类电池最终有希望成为以后便携式设备的首选。虽然酸性条件下非贵金属氧还原催化剂的发展也是很迅速，但是从电催化氧还原反应的性能发来看还是与商业的铂碳有一定的差距，尤其是对于无金属掺杂的碳基催化剂，这类催化剂在碱性条件下会达到与铂碳相当的电催化能力，但是在酸性条件下的性能很弱并且极其的不稳定，所以发展一种催化剂无论是在酸性条件还是在碱性条件下均可以表现出优异的电催化性能是我们所要研究的重点。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对燃料电池的发展现状以及电化学关键技术问题上提出一种全新的单原子铁分散的电催化剂的制备方法，这种催化剂无论是在酸性条件下还是在碱性条件下均可以达到与铂碳相近的氧还原性能。

本发明所要解决的第二个技术问题是在氮源碳源的前驱体(g-C₃N₄)中加入铁盐，经过高温碳化得到石墨化程度比较高的纳米多孔碳。

本发明所要解决的第三个技术问题是在(g-C₃N₄)和铁盐的复合材料中加入阴离子表面活性剂F127，来使得金属铁盐在高温热解下不至于团聚，起到很好的分散剂的作用，进而制备出单原子铁分散的电催化剂。