[发明专利]一种F127诱导的三维多孔FeNi-NC双功能电催化剂及其制备方法

说明书

一种F127诱导的三维多孔FeNi‑NC双功能电催化剂及其制备方法，属于能源和电催化领域。先通过热解法制备gC₃N₄作为C源和N源，然后以F127为造孔剂和表面活性剂，来控制催化剂的形貌，从而制备得到比表面积大，活性纳米粒子分布均匀的三维多孔结构FeNi‑NC催化剂。该催化剂是以F127作为表面活性剂和造孔剂形成的石墨碳层包覆FeNi合金的核壳结构，其中FeNi合金纳米粒子大小均匀，粒径主要分别在9～12nm。本发明提供的催化剂原料成本低且来源丰富，制备过程简单，煅烧F127提供的丰富的介孔结构可以满足催化剂传质要求，gC₃N₄的原位煅烧可以形成核壳结构防止金属粒子团聚并提供丰富的N‑C活性位点，催化活性和稳定性高，有利于大规模生产。

技术领域

本发明属于能源和电催化领域，涉及一种应用于氧还原反应和氧析出反应的双功能电催化剂，具体涉及一种三维多孔材料FeNi-NC电催化剂及其制备方法。

背景技术

化石能源危机、环境恶化和气候变暖等问题的加剧促使全球范围内掀起了绿色、可持续能源转化利用装置如燃料电池、可充电金属-空气电池、电解水等的研发热潮。目前，这些新型器件要实现商业化和大规模应用，还面临着一些关键基础问题，主要为氧电极放电过程中发生的氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)和充电过程发生的氧析出反应(oxygen evolution reaction,OER)动力学过程缓慢、过电位高、活性物质的催化转化效率低等。研发高催化性能、低成本的双功能氧电极催化剂是解决上述问题的关键。目前催化ORR性能最好的催化剂是Pt基催化剂，催化OER性能最好的催化剂是RuO₂和IrO₂催化剂，然而Pt、Ru、Ir贵金属储量有限、成本高昂，而且Pt/C只能催化ORR，RuO₂和IrO₂仅具有OER催化性能，并且存在稳定性较差、抗甲醇毒化能力不足等问题，以上因素都极大的限制了燃料电池、可充电金属-空气电池等新能源装置的商业化应用。因此，寻找催化活性高、稳定性好且成本低的非贵金属双功能氧电极催化剂迫在眉睫。

杂原子掺杂多孔碳材料由于独特的物理和化学特性，优异的电催化活性、长期稳定性和相对较低的成本，是目前最有望代替贵金属的ORR/OER双功能电催化剂。目前报道较多的ORR/OER双功能杂原子掺杂多孔碳电催化剂有非金属掺杂碳材料(如N、P、S掺杂C)、过渡金属掺杂碳材料(如Fe、Ni、Co掺杂C)，以及一些将金属与非金属共掺杂碳的材料。其中，过渡金属铁镍基双金属催化剂具有ORR和OER双功能催化活性，受到越来越多关注。然而其稳定性和活性要满足实际应用，仍有很大的提升空间。Zhong等[Adv.SustainableSyst.2017,1(6):1700020]通过溶剂热法将多巴胺聚合并包覆金属前体，然后利用热解法制备了FeNi/NPC催化剂，电镜照片表明在催化剂表面会形成FeNi金属合金颗粒与聚集碳颗粒偶联的FeNi/NPC结构，电化学测试表明其可以作为ORR、OER和氢析出三种反应的催化三效催化剂，而其ORR半波电位为0.73V，有待进一步提高。Zhao等[Adv.Mater.Interfaces,2018,5(9):1701448]通过化学气相沉积的方法，在碳布上负载了FeNi合金纳米线阵列，电化学测试表明其具有良好的ORR和OER性能，但该制备方法复杂，成本高，不易工业化。