[发明专利]一种铁氮掺杂的核壳碳球材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铁氮掺杂的核壳碳球材料及其制备方法，涉及核壳材料技术领域。本发明所述铁氮掺杂的核壳碳球材料的制备方法包括如下步骤：(1)制备聚多巴胺球；(2)制备铁掺杂的金属有机框架包覆聚多巴胺球复合物；(3)制备铁氮掺杂的核壳碳球材料。本发明所述方法制备的铁氮掺杂的核壳碳球材料与市售Pt/C催化剂相比，表现出更高的ORR活性。

技术领域

本发明涉及核壳材料技术领域，尤其涉及一种铁氮掺杂的核壳碳球材料及其制备方法。

背景技术

氧还原反应(ORR)是清洁高效的能量存储和转换装置(例如：质子交换膜燃料电池，微生物燃料电池和金属空气电池)最重要的阴极反应之一。但是，缓慢的动力学严重影响了这些设备的整体性能。为了加快动力学，应提供高效的阴极催化剂。到目前为止，铂(Pt)基催化剂被认为是最具活性的ORR电催化剂。但是，高成本，耐用性差，对燃料分子(甲醇，乙醇……)的耐受性差，阻碍了其发展和广泛应用。因此，为了达到实际应用的目标，学者们集中精力研究了廉价的非贵金属催化剂作为替代品，例如无金属杂原子掺杂的碳材料，过渡金属氧化物，以及负载在碳上的氮配位金属(M/N/C，M＝Fe，Co等)。

M/N/C催化剂，由于其高催化活性和良好的稳定性，被认为是一类有前景的非贵金属催化剂，目前已经报道了几种制备M/N/C催化剂的方法：

(1)通过氮，碳和过渡金属源的随机混合，然后进行热分解。但是这很难有效地形成分层结构并实现活性电催化部分的有序化。

(2)通过金属-有机骨架(MOFs)的热解制备。然而，多孔结构在热解过程中会塌陷，从而减少表面积，限制了物质的传输并影响了活性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种铁氮掺杂的核壳碳球材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种铁氮掺杂的核壳碳球材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)聚多巴胺(PDA)球的合成：将去离子水与有机溶剂混合，得到混合液，然后将氨水滴加到混合液中，得到溶液A；将多巴胺盐酸盐加入溶液A中，搅拌、离心、洗涤、干燥，得到聚多巴胺球；

(2)铁掺杂的金属有机框架包覆聚多巴胺球复合物(PDA@ZIF-8-Fe)的制备：将聚多巴胺球加入有机溶剂中，超声分散，得到分散液；然后在分散液中加入六水硝酸锌、2-甲基咪唑和九水硝酸铁，搅拌、离心、洗涤、干燥，得到铁掺杂的金属有机框架包覆聚多巴胺球复合物；

(3)铁氮掺杂的核壳碳球材料(Fe/N-CSCs)的制备：将铁掺杂的金属有机框架包覆聚多巴胺球复合物在氮气中进行热解，然后在酸中浸泡，去除多余的锌离子，再进行洗涤、干燥，得到所述铁氮掺杂的核壳碳球材料。

优选地，所述步骤(1)中，去离子水与有机溶剂的体积比为：(100-120)：(25-30)，所述多巴胺盐酸盐的质量与溶液A的体积的比例为：0.5：(130-145)g/mL；所述有机溶剂包含甲醇。

优选地，所述步骤(1)中，搅拌时间为24-36h。

优选地，所述步骤(2)中，聚多巴胺球的质量与有机溶剂的体积的比例为：0.1：(25-35)g/mL；所述有机溶剂包含甲醇。

优选地，所述步骤(2)中，聚多巴胺球与六水硝酸锌、2-甲基咪唑和九水硝酸铁的质量比为：聚多巴胺球：六水硝酸锌：2-甲基咪唑：九水硝酸锌＝(0.08-0.12)：(0.20-0.25)：(0.45-0.50)：(0.01-0.08)。

优选地，所述步骤(2)中，搅拌时间为12-18h。

优选地，所述步骤(3)中，热解温度为700-1000℃，热解时间为1.5-2.5h。