[发明专利]一种铁-镍-氮共掺杂碳催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种新型铁‑镍‑氮共掺杂碳催化剂，该催化剂先是以含三芳基咪唑苯胺衍生物(TPI‑NH₂)进行氧化聚合反应获得三芳基咪唑聚苯胺衍生聚合物(TPANI)；然后将三芳基咪唑聚苯胺衍生聚合物(TPANI)、铁源、镍源、三聚氰胺混合反应获得TPANI/三聚氰胺/Ni‑Fe混合物；最后将TPANI/三聚氰胺/Ni‑Fe混合物在保护性气体氛围下进行热处理后获得铁‑镍‑氮共掺杂碳催化剂(NiFe/N‑C)。该铁‑镍‑氮共掺杂碳催化剂有较高的比较面积和丰富的孔隙结构，在锌‑空电池的应用中同时表现出优异的ORR和OER催化活性。

技术领域

本发明涉及一种电催化剂，具体涉及一种铁-镍-氮共掺杂碳催化剂及其制备方法和用途，属于锌空电池氧还原和和氧析出催化剂领域。

背景技术

金属-空气电池因其在助听器、手电筒、时钟和玩具和其他一些便携式设备的中广泛应用而引起了大量的研究关注。现被用作金属-空气电池的金属阳极材料主要有镉、锌、锂、铝、镁等，其中含量丰富、成本低且环境友好的锌最受研究人员的青睐。锌-空电池的理论能量密度可达1350Whkg^-1，是锂-空电池的6倍，同时，比起传统电池锌-空电池具有更久的保质期。

随着化石能源危机的加剧，地球环境的恶化和全球气温的上升，寻找一种绿色、可再生能源转换装置已经成为了人类生产的迫切需要。在众多新型能源转换装置中，锌-空电池因其低成本、高安全、长耐久的优势而受到了广泛关注。但是，缓慢的氧还原(ORR)动力学以及过高的氧析出(OER)过电位成为了锌-空电池商业化发展的瓶颈。因此，开发一种高ORR、OER活性和稳定性的电催化剂作为可充锌-空电池空气电极对推动其产业化进程有着重大意义。

目前，虽然Pt、RuO₂和IrO₂已经被证明具有优异的ORR/OER活性，但是低稳定性和高成本的缺点已经使其逐渐失去竞争力。在过去的几年里，过渡金属-氮-碳(M-N-C)特别是Fe-N-C和Co-N-C被发现是很有潜力的ORR催化剂，然而这两种催化剂的OER性能并不理想，这将导致锌-空电池充电过程缓慢。研究发现，掺杂第二金属的Fe-N-C催化剂由于具有不同的氧化还原电位已经被用来提高ORR/OER活性和稳定性。

基于此，本发明以三芳基咪唑聚苯胺为前驱体，通过配位作用掺入Ni和Fe并以三聚氰胺为自牺牲模板合成了NiFe/N-C双功能电催化剂。该催化剂同时具有优异的ORR和OER催化活性，作为锌-空电池空气电极时表现出优秀的催化性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种新型铁-镍-氮共掺杂碳催化剂及其制备方法和用途；该催化剂先是以含三芳基咪唑苯胺衍生物(TPI-NH₂)进行氧化聚合反应获得三芳基咪唑聚苯胺衍生聚合物(TPANI)。然后将三芳基咪唑聚苯胺衍生聚合物(TPANI)、铁源、镍源、三聚氰胺混合反应获得TPANI/三聚氰胺/Ni-Fe混合物。最后将TPANI/三聚氰胺/Ni-Fe混合物在保护性气体氛围下进行热处理后获得铁-镍-氮共掺杂碳催化剂。该铁-镍-氮共掺杂碳催化剂有较高的比较面积和丰富的孔隙结构，在锌-空电池的应用中同时表现出优异的ORR和OER催化活性，作为锌-空电池空气电极时表现出优秀的性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案具体如下：

根据本发明的第一种实施方案，提供一种新型铁-镍-氮共掺杂碳催化剂，该催化剂是通过以下制备方法制备获得的：首先采用含三芳基咪唑苯胺衍生物(TPI-NH₂)进行氧化聚合反应获得聚苯胺衍生聚合物(TPANI)。然后将聚苯胺衍生聚合物(TPANI)、铁源、镍源、三聚氰胺混合后进行反应获得TPANI/三聚氰胺/Ni-Fe混合物。最后将TPANI/三聚氰胺/Ni-Fe混合物进行热处理后获得铁-镍-氮共掺杂碳催化剂(NiFe/N-C)。

作为优选，所述氧化聚合反应为含三芳基咪唑苯胺衍生物(TPI-NH₂)与氧化剂进行反应，生成聚苯胺衍生聚合物(TPANI)。