[发明专利]一种铁基氮磷共掺杂多孔碳氧还原催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及一种铁基氮磷共掺杂多孔碳氧还原催化剂的制备方法，使尿素分子、葡萄糖分子和植酸分子在水溶液中自聚合，经过蒸干、干燥后，得到前驱体。前驱体在高温碳化过程中，形成大量孔结构，同时也有少量的氮和磷留存下来。再使用分子自组装的方式将酞菁铁分子与氮磷共掺杂多孔碳材料复合，得到的材料仍为片状形貌与多孔结构，但片状结构中形成了磷化铁纳米颗粒‑石墨碳核壳结构，多重活性位点和多孔性使得材料的ORR性能相比氮磷共掺杂多孔碳材料得到增强。本发明形成了碳壳包覆的核壳结构，增强了氧还原催化活性和耐久性；另外，该材料中还存在大量介孔，提升材料的氧还原能力，本方法制备简便，操作简单，易于推广。

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂领域，特别涉及一种铁基氮磷共掺杂多孔碳氧还原催化剂的制备方法。

背景技术

近年来，燃料电池作为绿色环保的能源备受研究人员关注，在可移动设备和航空航天领域得到广泛应用。目前，以铂为代表的贵金属基催化剂占据燃料电池阴极氧还原催化剂市场绝大多数份额。该催化剂具有催化性能好、适应性强等特点，被广泛接受。然而，其价格昂贵、稳定性差、储量低，限制了它的商业化进程。因此，研究非贵金属催化剂对燃料电池的发展具有重要意义。

过渡金属基氮磷共掺杂碳材料属于非贵金属催化剂。当前已有若干非贵金属催化剂被制备并应用于ORR(氧还原反应)领域，例如：

CN111987326A公开了一种非贵金属氧还原催化剂的制备方法。采用过渡金属碱式醋酸盐、氮杂环类或羧酸类有机配体为反应物，加入一定量的溶剂和调节剂，在一定温度下反应，获得超细金属—有机框架材料，经过一步碳化过程，获得超细非贵金属碳基催化剂。虽然制备出的催化剂有可观的电化学性能，但其工艺复杂，反应时间长。

CN109786764A开了一种具有分级孔、氮硫双掺杂非金属碳基氧还原催化剂的制备方法。制备了一种氮、碳、硫分布均匀的有机聚合物，将其高温煅烧后，制备出氮、硫双掺杂型的分级孔碳材料。该材料具有分级孔结构、比表面积大、制备方法简单，具有良好的稳定性。但该材料的氧还原性能较差，不利于电化学反应的进行。

因此采用简单高效的工艺制备具有良好的电化学性能且稳定的非贵金属催化剂成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了解决现有的非贵金属催化剂存在的工艺复杂、稳定性差、电化学性能较低的缺陷，本发明提供了一种铁基氮磷共掺杂多孔碳氧还原催化剂的制备方法。

本发明的技术方案是：一种铁基氮磷共掺杂多孔碳氧还原催化剂的制备方法包括以下步骤：

步骤1：制备氮磷共掺杂纳米片，包括以下子步骤：

步骤1.1：将尿素、无水葡萄糖和植酸置于去离子水中，搅拌均匀得到混合液体，其中尿素、无水葡萄糖、植酸与去离子水的质量比为1:0.1：0.32:10；

步骤1.2：将混合溶液烘干后进行高温碳化处理，形成大量孔结构，得到氮磷共掺杂多孔碳材料，其中高温碳化处理过程为：在氮气气氛下，以匀速升温至所需温度后进行保温，再匀速降温至所需温度，随后自由降温至室温；

步骤2：结合步骤1得到的氮磷共掺杂纳米片，制备铁基氮磷共掺杂纳米片，包括以下步骤：

步骤2.1：将酞菁铁置于无水乙醇中，所述酞菁铁与无水乙醇的质量比为1:30；

步骤2.2：将步骤1得到的氮磷共掺杂纳米片材料加入到步骤2.1得到的溶液中，形成混合液体，其中酞菁铁与氮磷共掺杂纳米片的质量比为1～10:250；

步骤2.3：将混合液体进行超声后蒸干，之后进行干燥，得到铁基氮磷共掺杂纳米片；片状结构中形成了磷化铁纳米颗粒-石墨碳核壳结构，具有多重活性位点和多孔性。