[发明专利]一种铁钴负载氮掺杂碳纤维自支撑膜催化剂的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种铁钴负载氮掺杂碳纤维自支撑膜催化剂的制备方法和应用；属于锌空电池电极材料的技术领域。本发明通过同轴静电纺丝技术合成了一种可替代商业Pt/C和RuO₂的三维网状中空结构的过渡金属电催化剂，以该催化剂做为阴极的锌‑空气电池具有较高的功率密度和稳定性。本发明方法：将过渡金属前驱体与碳源溶液混合分别得到外壳和内核前驱体溶液，通过同轴静电纺丝技术得到纳米纤维前驱体，配位后热处理。以本发明提供的铁钴负载氮掺杂碳纤维自支撑膜制备得到的电极材料具有优异的氧电催化能力和功率密度。氧还原反应的起始电位为0.96V，氧析出反应在10mA·cm^‑2电流密度条件下的电位为1.68V；所组装的锌空电池极限功率密度可达205mW·cm^‑2。

技术领域

本发明属于电极材料的技术领域；具体涉及一种具体涉及一种铁钴负载自支撑碳纳米纤维(Fe/Co-N-C)氧电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会的高速发展，人们对能源的需求也在日益增加。但由于受到地球上一次能源储量和其非环保等制约因素，超级电容器、燃料电池、金属离子电池和金属空气电池等高效清洁的二次储能设备的开发和利用显得极为重要。贵金属(Pt)及其氧化物(IrO₂、RuO₂)由于其优异的ORR、OER活性而受到广泛关注。然而，贵金属成本高昂、结构不稳定、抗甲醇中毒能力差等因素严重限制了其商业应用。因此，极有必要设计和开发出一种高效稳定的非贵金属催化剂来满足商业化应用。

发明内容

本发明的目的通过同轴静电纺丝技术制备出了具有中空结构的铁钴负载氮掺杂碳纤维自支撑膜催化剂，具有三维网状中空结构，进而快速传质和电子转移。本发明的催化剂不仅具有优异的ORR/OER性能，而且作为锌空电池的阴极材料还可提供较高的功率密度和稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种铁钴负载氮掺杂碳纤维自支撑膜催化剂的制备方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将壳层碳源聚合物溶解于有机溶剂中，然后加入有机钴盐，搅拌至完全溶解，得到壳层溶液；

步骤二、将核层碳源聚合物溶解于有机溶剂中，然后加入无机铁盐，搅拌至完全溶解，得到核层溶液；

步骤三、将步骤一获得的壳层溶液和步骤二获得的核层溶液分别注入同轴静电纺丝装置的两个溶液通道，调节同轴静电纺丝参数进行静电纺丝，得到纳米纤维前驱体；

步骤四、将步骤三获得的纳米纤维前驱体加到配合物溶液中，发生配位反应，之后经过真空干燥，在空气气氛下预氧化，再在氮气和氩气混合气氛或氨气和氩气混合气氛下热处理等过程，得到铁钴负载氮掺杂碳纤维自支撑膜。

进一步地限定，步骤一中壳层碳源聚合物为聚丙烯腈或聚偏氟乙烯。

进一步地限定，步骤一中壳层碳源聚合物与有机溶剂的质量比为1:(5～50)；优选为1:(5～25)，更优选为1:(5～20)。

进一步地限定，步骤一中有机钴盐与壳层碳源聚合物的质量比为1:(2～30)，优选为1:(2～25)，更优选为1:(2～15)。

进一步地限定，步骤二中核层碳源聚合物与有机溶剂的质量比为1:(5～50)，优选为1:(2～25)，更优选为1:(2～10)。

进一步限定，步骤二中无机铁盐与核层碳源聚合物的质量比为1:(5～25)，优选为1:(5～15)。

进一步限定，步骤一的壳层碳源聚合物与步骤二核层碳源聚合物的摩尔比为1:(1～10)

进一步地限定，步骤二核层碳源聚合物为聚乙烯吡咯烷酮或聚甲基丙烯酸甲酯。