[发明专利]一种负载铁基纳米粒子的碳纳米管的制备方法及其负载铁基纳米粒子的碳纳米管和应用

说明书

本发明公开了一种负载铁基纳米粒子的碳纳米管的制备方法及其负载铁基纳米粒子的碳纳米管和应用，该制备包括：在铁氰化钾的水溶液中加入壳聚糖的醋酸水溶液，超声形成溶胶，再冷冻干燥得到气凝胶；将气凝胶放入惰性气氛中，加热反应得到负载铁基纳米粒子的多孔碳纳米片；将多孔碳纳米片放入空气中进行热处理，得到负载铁基纳米粒子的碳纳米管。本发明制备方法成本低廉，简易通用，所制得的材料为碳纳米管交联而成的三维碳管网络结构，且Fe/Fesubgt;3/subgt;C/Fesubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;空心纳米粒子负载在碳纳米管之上，而单质Fe均匀的嵌入在碳纳米管内部，该材料能够作为氧还原电催化材料以及锌空气电池的空气阴极催化材料的应用，具备高的活性以及优异的稳定性能。

技术领域

本发明属于氧还原催化剂技术领域，具体涉及一种负载铁基纳米粒子(Fe、Fe₃C、Fe₂O₃)的碳纳米管的制备方法及其制备的负载铁基纳米粒子的碳纳米管和应用。

背景技术

随着全球化石能源的消耗以及日益严重的环境污染问题，对可再生绿色新型能源存储和转换方式的探索已成为重要且富有挑战性的研究课题。电催化氧还原反应(ORR)作为燃料电池、金属电池的核心部分，其电催化过程直接关系着电池的性能。传统的贵金属催化剂，因其价格昂贵、储量稀少、且催化动力学迟缓，极大地限制了新能源技术大规模商业化进程。因此，研究开发催化活性高、经济耐用的非贵金属催化剂以取代贵金属催化剂是解决问题的关键。

优异的ORR活性是由于在导电碳基体上加入了含金属的活性位点。一般情况下，复合材料中碳载体、过渡金属和掺杂氮之间的相互作用对形成有利于ORR的活性位点起着至关重要的作用。而过渡金属Fe基材料，其合金及其化合物材料，也已经证实其具有良好的电催化氧还原性能，如碳化物，氧化物，氮化物等，现也已经被大量报道用于开发纳米复合材料，如纳米管、纳米片和三维纳米网络，它们对氧的电还原具有相当大的催化活性。一维的纳米管结构有利于电子、物质的传输，从而提高氧还原的反应速率，而三维纳米网络结构因其分散的催化活性位点，相互交联的孔道结构以及较高的机械稳定性从而提高其电催化性能。因此，将上述这些协同优势综合起来，合成杂原子掺杂的负载铁的碳氧化物纳米粒子的碳纳米材料是一种明智的策略。然而现有技术中的合成过程均较为复杂，且不能更好地利用结构优势提高电催化氧还原的性能。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种负载铁基纳米粒子的碳纳米管的制备方法，本发明方法简易通用，成本低廉，而且制得的负载Fe/Fe₃C/Fe₂O₃中空纳米粒子的碳纳米管作为氧还原电催化剂材料表现出优异的活性和稳定性。

本发明还提供负载铁基纳米粒子的碳纳米管的制备方法所制备的产品负载铁基纳米粒子的碳纳米管和应用。

技术方案：为了实现上述目的，本发明所述一种负载铁基纳米粒子的碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：

(1)在铁氰化钾水溶液中加入壳聚糖的醋酸水溶液，超声后形成溶胶，再经冷冻干燥得到气凝胶；

(2)将气凝胶在惰性气氛的保护下，升温至700～900℃，高温煅烧后反应得到负载铁基纳米粒子的多孔纳米片；

(3)将负载铁基纳米粒子的多孔纳米片在空气中升温至200～400℃，高温煅烧后得到所述负载铁基纳米粒子的碳纳米管材料。

其中，铁氰化钾水溶液的浓度为0.002～0.006mol/L。

其中，所述壳聚糖的醋酸水溶液的浓度为10～30mg/mL。

其中，所述惰性气氛为氮气、氩气、氦气、二氧化碳中的至少一种。

其中，步骤(2)和(3)中所述升温的升温速率均为1℃/min～20℃/min，热处理时间为2～4h。