[发明专利]一种铁氮共掺杂碳纳米管氧还原催化剂、制备方法及应用

说明书

本发明属于纳米材料制备领域，提供了一种铁氮共掺杂碳纳米管氧还原催化剂、制备方法及应用。发明采用廉价的铁的氧化物、富含氮碳的氰胺类药品为实验原材料，利用球磨法按照一定质量比混合这些前驱体后在半封闭环境下于流动惰性气体氛围下热解，经过酸洗纯化干燥后得到了在碱性电解液中表现出很高的氧还原催化活性的铁氮共掺杂碳纳米管氧还原催化剂，材料可应用于燃料电池及金属‑空气电池领域。与以往铁氮共掺杂碳基催化剂合成过程中需使用大量有机溶剂混匀铁盐及氮碳前驱体且需二次热解的过程相比，该发明创新的以铁的氧化物取代了铁盐，用简易的球磨法混合物料，用半封闭环境下的两步热解法实现了产物有效的铁氮共掺杂，减少了资源的浪费。

技术领域

本发明属于氧还原电催化材料制备领域，涉及一种铁氮共掺杂碳纳米管氧还原催化剂、制备方法及应用。

背景技术

氧还原反应是燃料电池和金属空气电池等电化学能源转换装置中非常关键的过程。但是由于动力学的限制，氧还原反应的发生较为困难，需要有合适的电催化剂才能保证这一过程的顺利进行。迄今为止，铂基催化剂被认为是催化活性最高的氧还原催化剂。然而，铂基催化剂高昂的价格、有限的资源以及较差的稳定性，使得它难以成为能够广泛应用的氧还原催化剂。因此开发高效所谓非铂基催化剂成为了人们的研究热点。其中，铁-氮-碳体系催化剂由于其成本低、催化活性和稳定性较好等优点，成为了科学家们的重点研究对象。目前，铁-氮-碳体系催化剂通常采用铁盐、氰胺类含氮有机物前驱体和碳载体(如Vulcan XC-72,Ketjenblack,Black Pearls等)等原材料，然后通过热解的办法得到催化剂产物。目前现有的大多数工艺技术路线都存在一些原材料的浪费、工艺流程不够简单高效甚至不够环保的问题。因此，通过开发和合理设计合成路线，选择新的低成本铁源、氮碳前驱体，优化热处理条件来实现高氧还原催化活性和耐用性催化剂的简单高效制备，对于燃料电池、金属空气电池等的大规模工业化应用具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种简单高效的铁氮共掺杂碳纳米管氧还原催化剂的制备方法，本发明采用成本低廉的铁的氧化物、富含氮碳的氰胺类有机前驱体为原料，经过简单混合和热解即可制备得到在碱性电解质中表现出良好的氧还原电催化活性和循环稳定性的氧还原催化剂，在氧还原电催化及其相关电化学装置领域具有重要的意义。

本发明的技术方案：

一种铁氮共掺杂碳纳米管氧还原催化剂的制备方法，采用成本低廉的铁氧化物、富含氮碳的氰胺类有机前驱体作为实验原材料。包含以下步骤：

S1:将铁的氧化物、富含氮碳的氰胺类药品通过球磨法按照一定的质量比混合均匀得到前驱体粉末；

S2:将混合均匀的前驱体粉末置于热解装置中，使样品在半封闭状态下于流动惰性气体氛围中在不同温度下分两步热解，得到碳化后的黑色粉末；

S3:将黑色粉末样品进行酸洗纯化，真空干燥后即可得到铁氮共掺杂碳纳米管氧还原催化剂。

进一步的，步骤S1中，铁的氧化物为三氧化二铁、四氧化三铁中的一种或组合；所述富含氮碳的氰胺类药品包括三聚氰胺、双氰胺、尿素等但不限于其中的任一种；所述氧化铁、富含氮碳的氰胺类药品的质量比为1:(1～10)。

进一步的，步骤S1中，采用球磨法混合物料时，球磨机的转速为100-300rpm/min，研磨时间为30-120min。

进一步的，步骤S2中，热解装置中装热解样品的瓷舟必须带非密封盖，保证热解过程的半封闭氛围；所述的惰性气体为氮气或氩气。

进一步的，步骤S2中，热解过程的升温速度为5-10℃/min，热解第一阶段为350-400℃保温30min，热解第二阶段为700-900℃保温1-3h，降至室温后得到黑色粉末。