[发明专利]富氮多孔碳材料锚定金属铁电催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种富氮多孔碳材料锚定金属铁电催化剂的制备方法。所述方法先通过二氰二胺和氰胺一钠的加成反应来制备4,6‑二氨基‑1,3,5‑三嗪‑2‑亚氨基钠盐，再利用4,6‑二氨基‑1,3,5‑三嗪‑2‑亚氨基钠盐与三聚氰酸，然后加入铁源，利用溶剂热使得金属铁配位更完全，最后通过离心、水洗、冻干、封管退火处理、酸处理制得富氮多孔碳材料锚定金属铁电催化剂。本发明制备方法简单，制得的富氮多孔碳材料锚定金属铁电催化剂具有良好的电化学性能，适用于电催化材料等领域。

技术领域

本发明涉及一种富氮多孔碳材料锚定金属铁电催化剂的制备方法，属于纳米材料制备领域。

背景技术

燃料电池PEMFCs的工作原理是将氢气和氧气具有的化学能转化为电能，然后对外电路的负载做功。在电池的运行过程中，两极均会偏离平衡电极电位，存在过电位，因此电催化剂对阳极氢气的氧化和阴极氧气的还原都有十分重要的作用。阴极的氧还原反应(ORR)发生多步质子耦合电子反应，机理比较复杂，ORR成为制约PEMFCs商业化应用的主要原因之一。在ORR反应过程中涉及2e^-和4e^-过程。在2e^-过程中(如下述路径一所示)，首先是O₂被质子化生成*OOH，随后生成的*OOH又被进一步质子化，最终生成H₂O₂。在4e^-过程中ORR被分成两种路径(如下述路径二和路径三所示)，若O₂先被质子化生成*OOH，随后*OOH进一步被还原，并发生了O-O键的断裂，生成*O和H₂O，吸附的*O随后被质子和电子还原成*OH，最后*OH被还原生成第二分子H₂O，即为联合路径。若氧气先发生O-O键的断裂，生成两个吸附态的*O，吸附态的*O进一步被质子化成*OH，最后，*OH被还原生成水，即为分解路径。值得注意的是，ORR过程涉及到比较多的氧化物种中间体，从而造成ORR的机理较为复杂。此外，若发生2e^-过程生成最终产物H₂O₂，该过程O-O键未发生断裂，氧气利用率较低，因此该路径会降低ORR的效率。

路径一：

O₂+2(H⁺+e^-)→*OOH+(H⁺+e^-)→H₂O₂，

路径二：

O₂+4(H⁺+e^-)→*OOH+3(H⁺+e^-)→*O+2(H⁺+e^-)+H₂O→*OH+(H⁺+e^-)+H₂O→2H₂O，

路径三：

1/2O₂+2(H⁺+e^-)→*O+2(H⁺+e^-)→*OH+(H⁺+e^-)→H₂O。

目前，在阴极一侧，由于ORR是一个动力学缓慢的过程，Pt的负载量高达0.4mg/cm²才能获得较为理想的电池性能,然而，由于Pt催化剂成本高、易中毒极大地限制了燃料电池的商业化应用。所以，开发具有高效催化行为和商业可用的非贵金属负载于碳材料吸引着学术研究人员大力研究，其作为替代Pt基催化剂的潜在非贵金属催化剂，负载过渡金属的氮配位(M-N-C，Metal＝Fe、Co、Ni、Cu、Mn等)复合物已经被广泛应用。然而M-N-C材料目前还存在许多问题，比如制备流程较为复杂、成本较高、催化剂的活性位置暴露不足所导致ORR性能较差以及导电性差等。

发明内容