[发明专利]一种以ZIF-8为基底掺杂铁原子的Fe-N/C-20的合成方法

说明书

本发明公开了一种以ZIF‑8为基底，掺杂铁原子的Fe‑N/C‑20的合成方法及其在碱性、中性、酸性电解液中催化氧还原反应的应用。该方法主要包括以下步骤：室温下在甲醇溶剂中合成形貌规整的ZIF‑8；将上述的ZIF‑8分散在甲醇中，先后加入一定的无水邻菲罗啉，七水合硫酸亚铁，将形成的邻菲罗啉铁和ZIF‑8搅拌蒸干，将得到的红色固体研磨成粉；将上述粉末在氩气惰性气氛下，900℃高温热解2个小时，制备出Fe‑N/C‑20。本发明提供一种制备简单，且能广泛应用的一种氧还原反应催化剂，该催化剂在碱性，中性，酸性条件下都具备优异的催化氧还原性能，能够适用于不同的场合。

技术领域

本发明涉及催化剂制备方法技术领域，具体涉及一种以ZIF-8为基底掺杂铁原子的Fe-N/C-20的合成方法。

背景技术

现代社会正从化石燃料经济转向清洁能源经济。开发清洁能源的转换和储存装置迫不及待。电池一直被认为是有效的能源转换和存储装置。由于燃料电池具有能量转换效率高，反应温度低、产物低污染等优点，因而燃料电池极有可能成为解决环境、能源问题的一种途径。

目前燃料电池的主要问题是氧还原反应(oxygen reduction reaction，ORR)催化剂活性及使用寿命。Pt/C由于其高活性是ORR电催化剂的首选，在燃料电池研究的早期，其被广泛使用。至今它仍然是评估新型电催化剂的基准。除了铂之外，其他贵金属如钯，银，金及其合金也已受到相当的关注。然而，贵金属催化剂的价格高，含量低，属于稀有类物质，一直制约着其工业应用。这就需要研究出价格低廉的高活性非贵金属或非金属催化剂来代替贵金属催化剂。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种以ZIF-8为基底掺杂铁原子的Fe-N/C-20的合成方法，提供一种制备简单，且能广泛应用的一种氧还原反应催化剂，该催化剂在碱性，中性，酸性条件下都具备优异的催化氧还原性能，能够适用于不同的场合。

本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种以ZIF-8为基底掺杂铁原子的Fe-N/C-20的合成方法，包括以下步骤：

(1)ZIF-8的合成：

先取Zn(NO₃)₂·6H₂O溶于甲醇中；然后再取二甲基咪唑溶于甲醇中，然后将其快速倒入Zn(NO₃)₂·6H₂O的甲醇溶液中，剧烈搅拌，室温反应16h。将得到的白色沉淀物离心后甲醇洗涤数次，然后60℃真空过夜干燥，得到白色固体粉末ZIF-8；

(2)掺杂铁原子的Fe-N/C-20前驱体的合成：

将所述步骤(1)中的白色固体粉末ZIF-8研磨成粉，取研磨后的粉末和无水邻菲罗啉放入到烧杯中并加入甲醇，搅拌30min后加入适量FeSO4·7H2O，然后经过70℃油浴蒸干，研磨后得到红色固体粉末，即得Fe-N/C-20前驱体；

(3)掺杂铁原子的Fe-N/C-20的合成：

取通过所述步骤(2)制得的Fe-N/C-20前驱体适量置于管式炉中，在惰性气体氛围下高温碳化得到蓬松的黑色固体，将蓬松的黑色固体碾磨成粉末，得到Fe-N/C-20。

优选的，所述步骤(1)中的ZIF-8合成时二甲基咪唑和六水合硝酸锌的物质的量比为4:1。

优选的，所述步骤(2)中的ZIF-8和FeSO₄·7H₂O的质量比为20:1，无水邻菲罗啉的和FeSO₄·7H₂O的物质的量比大于3，保证铁完全形成络合物。

优选的，所述步骤(2)中的Fe²⁺和无水邻菲罗啉迅速反应，形成红色络合物，蒸干过程中，络合物负载于ZIF-8的基底上。