[发明专利]一种Fe基多金属电催化剂及制备和应用

说明书

本发明涉及一种Fe基多金属电催化剂及制备和应用，具体的说就是在合成过程中基于金属有机骨架，加入Fe和微量M(M＝Mn、Co、Ni、Cu)。该催化剂中Fe的载量会随着第二种金属的引入量的增加而非线性显著增加。通过参入第二种金属的种类及含量的设计，可以得到具有高活性的氧还原电催化剂。该方法具有简便、易于实施、生产成本低等优点。

技术领域

本发明属于催化剂及其制备技术领域，具体的说涉及一种用于二次金属空气燃料电池或直接甲醇燃料电池或质子交换膜燃料电池中阴极氧还原电催化剂的制备及应用。

背景技术

由于气候变化和石油供应的枯竭，清洁能源的研究和开发在未来几十年是至关重要的。许多清洁能源转换的先进技术，例如燃料电池、电解水、金属空气电池和二氧化碳燃料转换，都越来越受到广泛的关注。其中，燃料电池技术是一种清洁高效的技术，燃料电池可以直接将化学能转化为电能，具有能量转化率高、环境友好、噪音小等优点。然而在燃料电池中，阴极反应与阳极相比十分缓慢，造成了阴极相比于阳极具有更高的过电势，因此需要大量的贵金属铂来催化加快阴极反应。然而，有限的资源和Pt的高成本也使得基于Pt的催化剂成为燃料电池商业化的主要障碍。因此开发低铂和非或铂电催化剂就显的至关重要。

近年来，由于金属有机骨架结构材料(MOF)具有结构可调、孔道丰富等优势，引起了研究人员的广泛关注。传统的基于ZIF-8前驱体来制备Fe-NC催化剂的方法中，活性位FeNx的数量很少，如果合成过程中单独增加Fe的掺入量，在热解过程中极易形成无活性的Fe纳米颗粒，这严重限制了电催化活性的进一步提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的在于提供了提高催化剂活性位数量的方法，并应用于二次金属空气燃料电池、直接甲醇燃料电池和质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应的电催化剂及制备和应用。

为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：

一种Fe基多金属电催化剂，其特征在于：以正十二面体碳氮骨架为载体，Zn原子、Fe原子和第三金属原子分别以单原子分散于碳氮骨架载体中；所述第三金属原子为Mn、Co、Ni、Cu中的一种或两种以上。

所述Zn原子的质量百分含量为0.2-2％；所述Fe原子的质量百分含量为0.5-4％；所述第三金属原子的质量百分含量为0.01％-0.3％。

所述第三金属原子优选Cu和/或Ni；所述Zn原子的质量百分含量优选为0.5-1％；所述Fe原子的质量百分含量优选为1.8％-2.5％；所述第三金属原子的质量百分含量优选为0.02％-0.04％。

所述Fe基多金属电催化剂的制备方法，包括以下制备步骤，

1)二甲基咪唑溶于甲醇溶液中，搅拌至澄清为A溶液；

2)硝酸锌、铁盐、第三组金属盐溶于甲醇溶液中，搅拌至完全溶解为B溶液；所述第三组金属为Mn、Co、Ni、Cu中的一种或两种以上；

3)将B溶液与A溶液混合搅拌至生成沉淀后，加热至100-150℃反应4-8小时；

4)离心分离后并用甲醇清洗，真空干燥，得催化剂前体备用；

5)取催化剂前体并在800℃-1100℃条件下进行热解处理后得到Fe基多金属电催化剂。

制备过程中正十二面体骨架中的部分锌被Fe和/或第二组金属取代，使部分Fe和/或第二组金属进入骨架中与作为配位金属，其中Fe和/或第二组金属呈单分散的金属单原子存在于催化剂中。

步骤(1)中二甲基咪唑在甲醇溶液中的浓度为30g/L-250g/L，优选为60g/L-100g/L。

步骤(5)热解处理时间2-4小时。

步骤(3)中B溶液与A溶液体积比2:1-1:2。