[发明专利]一种氮掺杂碳载铁基氧还原催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明提供一种氮掺杂碳载铁基氧还原催化剂，它是通过以下制备方法所制备的：先通过硝酸胍合成3,6‑二(3,5‑二甲基吡唑)‑1,2,4,5‑四嗪(BT)，再在3,6‑二(3,5‑二甲基吡唑)‑1,2,4,5‑四嗪(BT)中加入咪唑合成3,6‑二(咪唑基)‑1,2,4,5‑四嗪(DT)配体，然后使3,6‑二(咪唑基)‑1,2,4,5‑四嗪(DT)与过渡金属铁离子配位形成铁基沸石咪唑酯框架配位聚合物(FeDT‑ZIF)，再通过高温热解铁基沸石咪唑酯框架配位聚合物(FeDT‑ZIF)制备得到氮掺杂碳载铁基(Fe‑N/C)氧还原催化剂。该催化剂制备方法简易，成本较低，且具有极其丰富的活性位点，有利于推动燃料电池实际应用。

技术领域

本发明涉及一种氧还原催化剂，具体涉及一种氮掺杂碳载铁基氧还原催化剂及其制备方法和用途，属于燃料电池科学技术领域。

背景技术

能源危机和环境污染是当前人们必须面对的两大难题。长期以来化石能源的应用为人类社会发展起到了重要作用。但是伴随着化石能源的应用，随之而来的是日益严重的环境污染和能源短缺。研究和开发其他可再生的清洁能源成为人类所面临的重要任务。燃料电池是一种通过燃料和氧化剂之间的氧化还原反应将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置，是新一代的发电技术。燃料电池(Fuell Cell，FC)因为不受卡诺循环的限制、能量转化效率高(达40％-60％)并环境友好，在近年来备受关注。反应温度低造成燃料电池电极反应速率慢，因此必须使用催化活性高的Pt纳米粒子作为阴、阳极电催化剂，特别是阴极氧还原反应(Oxygen reduction reaction，ORR)速率远低于阳极燃料氧化反应的速率，从而需要比阳极高出许多的催化剂去加速其氧还原反应进程，贵金属Pt不仅价格贵，且自然界中储量稀少，以现有的技术所使用的Pt/C催化剂占整个电池成本的55％。

为了促进燃料电池技术的大规模应用，必须开发用于碱性和酸性电解质中的氧还原反应(ORR)成本效益高的非铂族金属(非PGM)催化剂作为贵金属催化剂的替代物。作为一种非PGM催化剂，铁基催化剂已被广泛认为是替代Pt基ORR催化剂优秀的候选者。Wang等通过热解负载在多孔碳载体微孔内的酞菁/铁酞菁来制备分散单个Fe原子的分层结构多孔碳(SA-Fe-HPC)。在酸性电解质中，SA-Fe-HPC催化剂的ORR活性(E_1/2＝0.81V)与商业Pt/C催化剂相当，且具有优秀的电化学稳定性(3000次电位循环后7mV负移位)和燃料选择性。在碱性介质中，SA-Fe-HPC催化剂在ORR活性(E_1/2＝0.89V)，燃料选择性和长期稳定性(3000次电势循环后1mV负移位)方面优于商业Pt/C催化剂(Nanoscle，2018,130：9176-9181)。Mo等以Fe₂O₃纳米粒子为硬模板剂，经过聚苯胺包覆、高温分解、硫酸除杂、高温石墨化处理四道工序，制备了比表面积高达555m²g^-1的泡状掺氮碳材料。其在氧饱和的0.5M H₂SO₄溶液中具有高达0.93V(vs.RHE)的起始电位和0.82V的半波电位，氧还原催化活性可与20wt％的商业Pt/C相媲美(Electrochimica Acta，2013,99：30-37)。

发明内容

针对现有技术中对燃料电池氧还原催化剂的需求，发明人合成了铁基沸石咪唑酯框架配位聚合物(FeDT-ZIF)作为前驱体衍生的氮掺杂碳载铁基(Fe-N/C)氧还原催化剂。该催化剂制备方法简易，成本较低，且具有极其丰富的活性位点，有利于推动燃料电池实际应用。

本发明的主要目的是制备一种以铁基沸石咪唑酯框架配位聚合物(FeDT-ZIF)为前驱体的燃料电池ORR催化剂，其主要特征是先合成出配体3,6-二(咪唑基)-1,2,4,5-四嗪(DT)，再通过溶剂热法将DT与过渡金属铁离子配位，制备出铁基沸石咪唑酯框架配位聚合物(FeDT-ZIF)。再进一步高温热解该配位聚合物得到氮掺杂碳载铁基(Fe-N/C)氧还原催化剂。