[发明专利]一种钒掺杂碳包覆的碳化铁多功能复合电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种钒掺杂碳包覆的碳化铁多功能复合电催化剂及其制备方法和应用，属于电化学催化技术领域，该制备方法包括如下步骤：将原钒酸钠、六水合三氯化铁、双氰胺和氯化钠混合均匀后在保护气氛下于700~950℃进行保温处理，原钒酸钠、六水合三氯化铁和双氰胺的质量比为（0.01~0.06）：（0.2~0.7）：（2~4.5），得到混合物；将混合物在保护气氛下冷却后依次进行洗涤、干燥，得到钒掺杂碳包覆的碳化铁多功能复合电催化剂。本发明的工艺简单，生产成本低，条件易于控制，利用该方法制备的电催化剂可用于HER、OER和ORR，并且表现出优异的催化活性。

技术领域

本发明属于电化学催化技术领域，具体为一种钒掺杂碳包覆的碳化铁多功能复合电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

当前的能源主要依赖于石油、天然气、煤等化石能源，但由于人类过度的开采和使用造成了环境污染和能源危机，所以迫切需要开发绿色，可持续的新能源来替代它们。水电，风电，太阳能氢能都是很好的绿色清洁能源，其中电解水制氢、燃料电池和金属-空气电池是很好的可持续能源技术。这些能源转化体系可以实现以H₂O、O₂和H₂为循环利用的一种零污染体系。

析氢反应（HER）、析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）在电解水制氢、燃料电池和金属-空气电池中起着至关重要的作用。然而，高的反应能垒和缓慢的反应动力学严重的阻碍了这些技术的商业应用。另外，铂（Pt）及其合金是常用的催化活性高的HER和ORR电催化剂，铱（Ir）和钌（Ru）的氧化物是优异的OER电催化剂，但是贵金属电催化剂的成本过高，储量稀少，稳定性较差，甲醇交联也较低限制了其大规模的实际应用。因此，为HER、OER和ORR探索具有优异活性和高稳定性的高效，低成本电催化剂来替代贵金属电催化剂显得尤为重要。过渡金属碳化物（TMCs）含量丰富，对环境友好，具有与Pt族金属相似的电子结构和催化性能，另外铁基催化剂具有含量丰富、价格低廉的优点。而且，碳化铁（Fe₃C）是TMCs的典型代表，常被作为高效且十分有前景的HER、OER和ORR电催化剂进行大量地研究。

但是目前来说，Fe₃C的电催化性能有限，限制了其进一步应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种钒掺杂碳包覆的碳化铁多功能复合电催化剂及其制备方法和应用，工艺简单，生产成本低，条件易于控制，利用该方法制备的电催化剂可用于HER、OER和ORR，并且表现出优异的催化活性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种钒掺杂碳包覆的碳化铁多功能复合电催化剂的制备方法，包括如下步骤：

将原钒酸钠、六水合三氯化铁、双氰胺和氯化钠混合均匀后在保护气氛下于700~950℃进行保温处理，原钒酸钠、六水合三氯化铁和双氰胺的质量比为（0.01~0.06）：（0.2~0.7）：（2~4.5），得到混合物；

将混合物在保护气氛下冷却后依次进行洗涤、干燥，得到钒掺杂碳包覆的碳化铁多功能复合电催化剂。

优选的，所述双氰胺和氯化钠的质量比为（2~4.5）：（1~3.5）。

优选的，先将原钒酸钠、六水合三氯化铁、双氰胺和氯化钠混均匀分散在乙醇中，得到分散液，再将分散液真空干燥，得到混合均匀的原钒酸钠、六水合三氯化铁、双氰胺和氯化钠。

优选的，所述的原钒酸钠、六水合三氯化铁、双氰胺和氯化钠在流速为40~90sccm/min的保护气氛下保温。

优选的，所述的原钒酸钠、六水合三氯化铁、双氰胺和氯化钠从室温开始升温，升温速率为4~14 ℃/min。

优选的，所述的原钒酸钠、六水合三氯化铁、双氰胺和氯化钠在700~950℃下保温0.5~3 h。