[发明专利]一种自负载Fe-N-C氧还原催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于电催化中非贵金属催化剂技术领域，具体涉及一种EDTAFeNa衍生的自负载Fe‑N‑C氧还原催化剂及其制备方法。该自负载Fe‑N‑C氧还原催化剂的介孔孔径为3.9±0.2nm，比表面积为385±2m²g^‑1，Fe元素含量为0.4±0.02at.％，N元素含量为2.6±0.2at.％，C元素含量为93±2at.％；所述自负载Fe‑N‑C氧还原催化剂是介孔分子筛和乙二胺四乙酸铁钠通过混合蒸发干燥‑流动性气体保护下热处理‑刻蚀‑酸处理‑热处理而得到。本发明不但催化剂活性、选择性高，可实现在碱性电解质中高效电催化氧还原反应(ORR)，而且制备方法路线灵活、弹性空间大、操作可控、易于规模化生产。

技术领域

本发明属于电催化中非贵金属催化剂技术领域，具体涉及一种EDTAFeNa衍生的自负载Fe-N-C氧还原催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池可以直接高效地将燃料分子中蕴含的化学能转化为电能，并且仅生成对环境没有污染的水，为现有化石能源的有效利用提供了一种新的途径。由于其具有质轻、高效、快速启动、寿命长、低腐蚀性、环境友好等特点，在电动汽车电源、移动电源、便携式电源以及电站应用等方面将具有非常大的应用前景。尽管如此，在短期内实现燃料电池在世界范围内民用化、商业化和产业化应用仍然面临巨大挑战，其中阻碍其商业化进程的关键因素之一则是燃料电池目前所用的电极材料(Pt或Pt基催化剂)资源贫乏、价格昂贵，导致燃料电池成本过高。为了解决此问题，开发能够替代Pt用于燃料电池阴极氧还原(ORR)的廉价非贵金属催化剂(NPMCs)是科研者们一直追求的重要目标之一。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种EDTAFeNa衍生的自负载Fe-N-C氧还原催化剂，该催化剂既有介孔结构、很大的比表面积同时又具有高程度且均匀的氮掺杂。

本发明的目的之二是提供了所述自负载Fe-N-C氧还原催化剂的制备方法，该方法合成路线灵活、弹性空间大、操作可控、成本相对低廉、易于规模化生产。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种自负载Fe-N-C氧还原催化剂，所述自负载Fe-N-C氧还原催化剂的介孔孔径为3.9±0.2nm，比表面积为385±2m²g^-1，Fe元素含量为0.4±0.02at.％，N元素含量为2.6±0.2at.％，C元素含量为93±2at.％；

所述自负载Fe-N-C氧还原催化剂包括介孔分子筛和乙二胺四乙酸铁钠(EDTAFeNa)，所述介孔分子筛与乙二胺四乙酸铁钠的质量比为1∶1～20；

所述介孔分子筛为SBA-15、MCM-41、MCM-48或KIT-6中的一种或几种组合物。其中介孔分子筛作为自牺牲硬模板，EDTAFeNa兼具铁、氮和碳前驱体。

自负载Fe-N-C氧还原催化剂的制备方法，包括如下步骤：

1)先将介孔分子筛加入到去离子水中，再加入乙二胺四乙酸铁钠分散均匀，然后将上述悬浮物进行蒸发、干燥、研磨，得到固体粉末A；

2)将步骤1)中所得到的A在流动惰性气体保护下，以10±2℃/min升温至650～750℃保持1-3h，接着自然冷却至室温后研磨均匀，得到催化剂前体，标记为EDTAFeNa-HT1(MMS)；

3)将步骤2)中所得到的催化剂前体EDTAFeNa-HT1(MMS)用酸或碱的乙醇水溶液进行刻蚀获得脱硅的前体EDTAFeNa-ET(MMS)；

4)将步骤3)中所得到的EDTAFeNa-ET(MMS)在70～90℃、0.5～2M的进行酸处理0.5～24h，完毕进行抽滤、干燥，得到去除了部分铁物种的前体EDTAFeNa-AL(MMS)；