[发明专利]一种FeNi/N-C高分散核壳结构催化剂及其制备方法

说明书

一种FeNi/N‑C高分散核壳结构催化剂及其制备方法，所述FeNi/N‑C高分散核壳结构催化剂以二氰二胺、葡萄糖、铁盐、镍盐为前体，经过一步高温煅烧法制得；该催化剂以FeNi纳米粒子为核，以氮掺杂的碳层为壳，所得核壳结构纳米粒子均匀分散于高导电性的石墨烯片层表面。本发明的有益效果为：催化剂制备所用原料来源广泛，成本低廉，制备方法简单可控，易于实现规模化生产；催化剂具有较高的ORR/OER电催化活性，抗甲醇氧化性好，稳定性优异，可广泛应用于燃料电池、电解水、金属‑空气电池等在内的各种新兴能量转换和存储装置，有望取代贵金属Pt基、Ru基和Ir基催化剂而实现商业化应用。

技术领域

本发明属于能源材料及电化学技术领域，涉及一种应用于催化氧还原反应和氧析出反应的双功能电催化剂，具体涉及到一种FeNi/N-C高分散核壳结构催化剂及其制备方法。

背景技术

随着社会的快速发展，人们对化石燃料的使用量日益增加，致使能源枯竭和环境恶化等问题不断加剧，因而使得具有能量密度高、绿色环保等优点的金属-空气电池、燃料电池、电解水等新能源储存和转换装置成为全球研发的热点。氧还原反应(Oxygenreduction reaction,ORR)和氧析出反应(oxygen evolution reaction,OER)是包括燃料电池、电解水、金属-空气电池等在内的各种新兴能量转换和存储装置中的关键电极反应。但是，ORR/OER动力学过程缓慢，过电势较高，阻碍了它们的广泛应用。迄今为止，Pt基材料是最有效的ORR电催化剂，但其成本高、耐久性差，无法大规模应用。此外，Pt仅具有中等OER活性，不适合用作ORR/OER双功能电催化剂。RuO₂和IrO₂是催化OER性能最先进的催化剂，然而Ru、Ir储量有限、成本高昂，且不如Pt那样对ORR起催化活性。因此，寻找高效且耐用的非贵金属双功能氧电极催化剂具有重要的现实意义。

过渡金属(如Fe、Co、Ni、Mn等)催化剂由于成本低、化学稳定性好、催化效率高、环境友好而且活性种类多样等特点引起了研究人员的广泛关注。特别是双金属甚至多金属催化剂，可提供丰富的价态，对提高ORR和OER催化性能具有重要的研究意义。然而，过渡金属催化剂往往自身导电性差、比表面积低，使其催化活性受限。据报道杂原子(N、P、S等)掺杂的碳材料(石墨烯、纳米管、炭黑等)具有高比表面积和高导电性，因此，将金属基催化剂与杂原子掺杂碳材料结合，将有助于获得高活性催化材料。尤其是，通过合理设计催化剂结构，如核壳结构、三维连通多孔结构、三维有序孔结构等，很有可能获得更优异的催化性能。在这些催化剂结构中，将碳包覆金属纳米粒子的核壳结构活性物质分散到高比面积的杂原子掺杂石墨烯表面，不仅可以提高催化剂导电性，还可以促进金属粒子的分散，防止金属纳米粒子团聚，保护催化剂的活性位，同时金属粒子与杂原子掺杂的碳材料还有可能发生协同效应而进一步提高催化剂的ORR/OER催化性能。

如何可控制备上述高分散核壳结构催化剂是目前研发的重点与难点。Li等[J.Mater.Chem.A.2018,6,3730–3737]采用CoFe双电层氢氧化物(CoFe-LDH)为Co源、Fe源，尿素为C源，P123为软模板，采用一步热解法制得碳包裹的Co₃O₄掺杂的Co/CoFe双功能催化剂，该催化剂在碱性条件下表现较高的ORR和OER催化活性及稳定性，然而，该催化剂首先要通过48h来制备CoFe-LDH，再进行下一步热解，制备过程耗时长，步骤繁琐，实验条件有待进一步改进。Wang等[Applied Surface Science.2017,401,89–99]采用静电纺丝技术将聚乙烯吡咯烷酮、Ni(NO₃)₂·6H₂O和Fe(NO₃)₂·6H₂O的混合溶液制成纳米纤维，随后高温热解制得氮掺杂碳纳米纤维包覆FeNi纳米粒子催化剂，该催化剂在碱性条件下表现优异的ORR和OER活性。然而，采用静电纺丝技术制备催化剂的过程条件不易控制，使得制得催化剂粒子大小不均匀，发生严重的团聚现象，不利于活性位点的充分暴露，实验方法有待改进。