[发明专利]包覆型Fe/Co氮掺杂碳纳米纤维网络结构催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明提供一种包覆型Fe/Co氮掺杂碳纳米纤维网络结构催化剂及其制备方法和用途，所述制备方法至少包括以下步骤：将有机含氮聚合物与含Fe/Co金属盐溶解于有机溶剂中形成均相纺丝溶液；所述有机含氮聚合物和含Fe/Co金属盐的质量比为10：1~4：1；将所述均相纺丝溶液进行电纺丝，形成复合纳米纤维布；将所述复合纳米纤维布进行预氧化处理；将所述复合纳米纤维布进行预碳化处理，得到纤维材料；将所述纤维材料进行高温NH₃蚀刻处理。制备方法简单，产物结构均匀且催化性能优异，无论是酸性还是碱性介质下都表现出极好的氧还原反应(ORR)电催化活性和稳定性。

技术领域

本发明涉及一种包覆型Fe/Co氮掺杂碳纳米纤维网络结构催化剂及其制备方法和用途。

背景技术

燃料电池作为一种绿色、清洁、无污染的可持续功能设备，展现出巨大的发展前景。但是，燃料电池中无论是阳极还是阴极，所使用的目前大多是贵金属铂基(Pt)电催化剂，尤其是阳极ORR催化剂，其贵金属储量有限，价格高昂，直接制约了燃料电池的商业化、大批量使用与生产。目前，科学家致力于开发非Pt电催化剂，试图取代传统的贵金属催化剂，从根本上降低燃料电池的生产成本。

杂原子掺杂(氮、硫、硼等)的碳材料是目前研究最为有希望的非贵金属ORR催化剂。特别地，对于过渡金属(Fe，Co…)和氮共掺杂的碳材料，在碱性介质中表现出极好的氧还原催化活性和稳定性，甚至超越了商业化Pt催化剂。但是在酸性条件下，Fe或者Co掺杂型碳材料表现出较差的ORR活性和稳定性。因此，制备出高活性、高稳定性的钴氮共掺杂碳材料是目前研究的热点。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种包覆型Fe/Co氮掺杂碳纳米纤维网络结构催化剂及其制备方法与应用，用于解决铂基贵金属的高成本问题，从而实现燃料电池的产业化和规模应用。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种包覆型Fe/Co氮掺杂碳纳米纤维网络结构催化剂的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：

(1)将有机含氮聚合物与含Fe/Co金属盐溶解于有机溶剂中形成均相纺丝溶液；所述有机含氮聚合物和含Fe/Co金属盐的质量比为10：1～4：1；

(2)将所述均相纺丝溶液进行电纺丝，形成复合纳米纤维布；

(3)将所述复合纳米纤维布进行预氧化处理；

(4)将所述复合纳米纤维布进行预碳化处理，得到纤维材料；

(5)将所述纤维材料进行高温NH₃蚀刻处理。

优选地，所述步骤(1)中含Fe/Co金属盐选自CoCl₂、Co(Ac)₂、Co(NO₃)₂、Co(acac)₂硫酸亚铁、氯化铁或乙酰丙酮铁中的任意一种或几种；所述有机含氮聚合物选自聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、或者聚乙酰亚胺(PEI)中的任意一种或几种。

进一步地，所述步骤(1)具体为：将含Fe/Co金属盐溶解于有机溶剂中混匀，再加入有机含氮聚合物，水浴50～90℃，搅拌溶解2～6h。

进一步地，所述步骤(1)中均相纺丝溶液中溶质的质量分数为6％～12％。

有机含氮聚合物的加入一方面是为了调节溶液体系的粘度，达到静电纺丝的要求，另一方面它可以作为碳源和氮源。

优选地，所述步骤(1)有机含氮聚合物在纺丝溶液所占的质量百分数为10％～6％。

优选地，所述步骤(2)中电纺丝采用卧式静电纺丝机进行纺丝，参数设置为：