[发明专利]一种ORR和OER双功能催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高效ORR和OER双功能催化剂及其制备方法和应用。制备方法包括如下步骤：S1.将氮源、铁盐溶解混合并搅拌，搅拌后烘干得到固体；S2.将步骤S1得到的固体加入炭黑并研磨均匀，在保护气氛下850～1100℃煅烧得到粉末；S3.将步骤S2得到的粉末、镍盐和沉淀剂混合于去离子水中分散均匀后，110℃～130℃水热反应4～12h后分离烘干，在保护气氛下300℃～600℃煅烧，得到高效ORR和OER双功能催化剂。本发明制备得到的双功能催化剂ORR和OER性能表现优异，稳定性良好，多种活性位点的协同作用提高了催化剂的催化活性，可以应用于金属‑空气电池领域。

技术领域

本发明涉及电化学非贵金属催化剂的技术领域，更具体地，涉及一种ORR和OER双功能催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

可充电金属-空气电池因其成本低、资源丰富、高能量密度被认为是最有发展前景的能源存储与转换装置之一。金属-空气电池的阴极放电过程由氧还原反应(ORR)驱动，而充电过程则由氧析出反应(OER)驱动。催化剂的ORR/OER性能决定了金属-空气电池能否正常充放电。

目前，双功能(ORR/OER)催化剂可通过将不同的贵金属进行复合得到，如Pt基材料和Ru基材料的复合，虽然这类催化剂的催化活性优良，但却因为贵金属原材料储量稀缺、成本高昂、耐久性差，严重影响了可充金属-空气电池的商业化发展；另一种则是碳/过渡金属氧化物复合材料，这类催化剂原材料来源丰富，价格低廉，但其ORR/OER催化活性仍有待提高，难以达到商业化应用的要求。针对这一问题，这类能源转换储存装置迫切需要开发具有低成本和高活性的ORR和OER双功能非贵金属催化剂。

中国专利(CN111313035A)也公开了一种双功能非贵金属催化剂，但是该方法中用到了铁氰化钾和多巴胺为原料，其中铁氰化钾受热易分解产生剧毒物氢氰酸，多巴胺价格昂贵也不利于大规模生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本和高催化活性的ORR和OER双功能非贵金属催化剂的制备方法。

本发明的另一目的是提供一种ORR和OER双功能非贵金属催化剂。

本发明的另一目的是提供一种ORR和OER双功能非贵金属催化剂的应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的；

一种ORR和OER双功能催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1.将氮源、铁盐溶解混合并搅拌，搅拌后烘干得到固体；

S2.将步骤S1得到的固体加入炭黑并研磨均匀，在保护气氛下850～1100℃煅烧得到粉末；

S3.将步骤S2得到的粉末、镍盐和沉淀剂混合于去离子水中分散均匀后，110℃～130℃水热反应4～12h后分离烘干，在保护气氛下300℃～600℃煅烧，得到高效ORR和OER双功能催化剂；

步骤S1中所述氮源与铁盐的摩尔比为(2～32)：1；步骤S2中所述固体和炭黑的质量比为(5～20)：1；步骤S3中所述粉末、镍盐和沉淀剂的质量比为1：2：3～8：2：0.3。

本发明利用铁氮共掺杂碳催化剂所形成的非活性Fe₃C作为铁源，然后镍盐和沉淀剂，通过水热反应以及后续的煅烧将具有OER性能的Fe₂O₃、NiOOH和NiO复合到铁氮共掺杂碳催化剂上，得到一种具有ORR和OER双功能催化剂。

优选地，步骤S1中所述氮源与铁盐的摩尔比为(2～28)：1。

优选地，S2中所述的固体和炭黑的质量比为(5～17)：1。

优选地，S3中所述的粉末、镍盐和沉淀剂的质量比为1：2：3～6：2：1。