[发明专利]一种碳模板诱导Fe-N生长制备碳催化剂的方法及碳催化剂

说明书

本发明涉及一种碳模板诱导Fe‑N生长制备碳催化剂的方法及碳催化剂，催化剂的制备方法包括以下步骤：1)将碳材料分散于溶剂A中，依次经湿法球磨、冷冻干燥后，得到碳模板；2)将Fe的化合物、N的化合物溶于溶剂B中，之后加入碳模板，混合均匀后干燥，得到催化剂前驱体；3)将催化剂前驱体在气体氛围中高温热解，即得到Fe、N共掺杂碳催化剂。与现有技术相比，本发明通过碳模板的引入，一方面，能够抑制非活性或弱活性的金属Fe颗粒、Fe的碳化物等物种的生成，促使金属Fe颗粒、Fe的碳化物等物种向强活性Fe‑N_x物种的转化，诱导Fe‑N_x等强活性位点的生长；另一方面，碳模板能够与Fe‑N_x等活性位点之间产生相互作用，调控其电子结构，促使其固有活性的增强。

技术领域

本发明属于清洁能源技术领域，涉及一种碳模板诱导Fe-N生长制备碳催化剂的方法及碳催化剂。

背景技术

燃料电池、金属-空气电池等清洁能源技术已经受到了世界各国的广泛关注，其中涉及到的氧还原反应是电化学反应过程的核心。目前，Pt及其合金催化剂仍是应用最为普遍的氧还原催化剂，但自然界中的Pt储量稀少，无法满足新能源领域未来的市场需求。因此，高性能的非贵金属催化剂成为研究的方向之一。

大量的研究工作表明，Fe、N共掺杂的碳材料是一类具有极大潜力的非贵金属催化剂，可用来替代Pt系催化剂。研究者们尝试了各种方法提升Fe、N共掺杂碳催化剂的氧还原催化活性，包括改变Fe以及N前驱体的类型和添加量、优化材料合成条件、构造各种纳米结构和复合材料、进行有效后处理等措施，并利用多种表征技术以期望阐释催化剂活性与结构和组分之间的内在联系，但目前此类催化剂的低活性问题仍未得到有效解决，限制了Fe、N共掺杂碳催化剂的进一步应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种碳模板诱导Fe-N生长制备碳催化剂的方法及碳催化剂。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种碳模板诱导Fe-N生长制备碳催化剂的方法，该方法包括以下步骤：

1)将碳材料分散于溶剂A中，依次经湿法球磨、冷冻干燥后，得到碳模板；

2)将Fe的化合物、N的化合物溶于溶剂B中，之后加入碳模板，混合均匀后干燥，得到催化剂前驱体；

3)将催化剂前驱体在气体氛围中高温热解，即得到Fe、N共掺杂碳催化剂。

进一步地，步骤1)中，所述的碳材料包括二维碳材料、一维碳材料或零维碳材料中的一种或更多种。通过湿法球磨、冷冻干燥，促进单一碳材料或复合碳材料的均匀分散。

作为优选的技术方案，所述的二维碳材料包括石墨烯、还原氧化石墨烯、氧化石墨烯或氧化石墨中的一种或更多种，所述的一维碳材料包括碳纳米管、碳纳米纤维或碳纳米棒中的一种或更多种，所述的零维碳材料包括EC-600JD、EC-300J或XC-72中的一种或更多种。零维碳材料可选用各种市售的碳纳米颗粒。

进一步地，步骤1)中，所述的溶剂A为水；步骤2)中，所述的溶剂B为水。

进一步地，步骤1)中，所述的溶剂A还包括乙醇；步骤2)中，所述的溶剂B还包括乙醇。通过在水中加入乙醇，以促进物质的溶解及分散。

进一步地，步骤1)中，所述的湿法球磨过程中，球磨时间为10-120min；所述的冷冻干燥过程中，冷冻干燥温度为-60℃至0℃，冷冻干燥时间为2-48h。

进一步地，步骤2)中，所述的碳模板、Fe的化合物与N的化合物的质量比为1:0.1-1:10-100。

作为优选的技术方案，所述的Fe的化合物包括+3/+2价态铁盐、金属有机物或氧化物中的一种或更多种。