[发明专利]一种富含二价铁位点的内凹型十二面体材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种富含二价铁位点的内凹型十二面体材料及其制备方法，属于新能源材料领域，提供了一种简单有效的金属掺杂诱导策略来调整原子分散的活性位点的结构，并同步地调整碳基体的微观结构，从而开发用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）的无铂族贵金属催化剂。本发明包括以下步骤：将2‑甲基咪唑溶于甲醇中，标记为1^#；将硝酸锌与硝酸铁溶于甲醇，再加入用稀盐酸刻蚀后的Cu箔，超声至少1 h，标记为2^#；随后将2^#迅速倒入1^#，并在室温下搅拌1 h；将样品进行离心、真空干燥后，在氩气气氛下，1100℃热处理1 h，最终制得富含原子分散的二价铁位点的内凹型十二面体材料。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及一种富含二价铁位点的内凹型十二面体材料及其制备方法。

背景技术

随着经济的不断发展，不可再生的化石燃料等能源急剧消耗，使得环境问题日益严重。面对不断增长的能源需求，寻求清洁高效的可再生能量转换与储存技术已经成为各国政府与人民共同关注的问题。近年来，许多先进的电化学能量储存与转换技术，包括燃料电池、锂离子电池与锌空气电池等，得到了迅猛发展，并有望作为绿色、高效的可持续动力电源，服务于电动汽车等领域。这些技术能够有效实现化学能与电能之间的直接转换，对高效利用可再生清洁能源、缓解能源危机和环境污染等问题发挥了举足轻重的作用。在这些技术中,质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) 由于可以直接将燃料的化学能转化为电能，且具有结构简单、功率密度高、工作温度低和尾气零污染等优势,所以可作为各项应用设备的动力来源,包括固定发电站和电动汽车等。然而，这项新型的能源技术目前仍存在诸多明显的缺陷，比如生产成本高昂、气体存储与供应系统不成熟等，显著限制了该技术的大规模商业化应用。这些严重的问题大都涉及多电子参与的动力学缓慢的氧还原反应（Oxygen reaction reduction, ORR）。PEMFC的单电池的结构较为简单，由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化反应的场所，阴极为氧化剂还原的场所，相比于阳极氢气的氧化反应，阴极氧还原反应的机制涉及多个电子、多条反应途径，从而导致过电位高、反应动力学缓慢等问题，成为限制该技术性能提升的关键步骤。因此，当前迫切需要开展酸性介质中高效的ORR电催化剂，以有效降低ORR过电位、加速反应动力学，从而促进PEMFC技术的大规模商业化，并大力推动这项技术作为动力电源在低能耗新能源汽车的发展与应用。

传统的ORR电催化剂是以铂（Pt）为代表的贵金属材料，例如导电碳载体锚定高分散的铂纳米颗粒。但是该类材料大量使用了价格昂贵、储量稀缺的贵金属Pt材料，导致催化剂的成本显著增加；同时，由于Pt材料的低催化选择性导致该类催化剂容易与反应物中的杂质及催化中间产物等相互作用，导致催化剂中毒失活，显著降低了催化剂的使用寿命，从而长期制约着这项技术的大规模应用和发展。因此，我们可以通过对Pt催化剂的用量与结构进行调控与改进，或是探索地球富含的过渡金属元素取代贵金属Pt，从而降低催化剂的成本，并提升催化剂的活性与稳定性。迄今为止，过渡金属和氮掺杂碳（M-N-C）催化剂，特别是Fe-N-C催化剂，在酸性电解液中表现出了最佳的ORR性能，但仍与Pt基催化剂存在明显的活性差距。通过增大碳基体中Fe-N_X活性位点的密度来提高Fe-N-C催化剂的ORR活性，是一种有效的方法。