[发明专利]一种原子级分散Fe/氮掺杂介孔碳球及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种通过嵌段共聚物模板剂在高温水热过程中与含氮碳源前驱体进行自组装得到氮掺杂介孔聚合物球，随后通过湿化学浸渍方法策略吸附过渡金属离子，结合可程控的高温碳化过程，即得到原子级分散Fe/氮掺杂介孔碳球催化材料(N‑MCS‑Fe)。通过该方法得到的原子级分散N‑MCS‑Fe催化剂具有较高的比表面积、均匀的孔径分布和优异的导电性，在碱性海水中展现了优异的氧还原电催化性能及稳定性。此外，将该材料作为空气电极组装在碱性海水锌空气电池中，其展现出较高的开路电压及功率密度。该催化剂制备方法工艺简单、操作方便且成本低廉，并且具有优异的抗海水腐蚀性，这对于开发新型海水锌空气电池阴极氧还原电催化剂具有一定的指导意义。

技术领域

本发明属于电化学能源材料领域，具体涉及到一种原子级分散Fe/氮掺杂介孔碳球及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着化石能源消耗和碳排放带来的环境污染，绿色、低碳、可持续发展理念成为全球共识，提高能源的利用率和发展替代能源成为我国乃至全球的主要议题。目前，开发新型有效的能量存储技术以最大化的利用可再生能源受到了广泛科研人员的青睐。其中水系金属空气电池(锌空气电池,ZABs)由于其可以使用天然丰富低成本的活性材料，具有较高的理论能量密度，被认为是最有前途的能源存储装置。典型的锌空气电池主要以锌为阳极，空气电极作为阴极，碱性水溶液为电解质，目前最广泛使用的ZABs碱性电解质主要是由高纯去离子水(淡水)与高浓度的碱和锌盐配制而成。

锌空气电池的反应原理主要如下所示：

总反应式：2Zn+O₂→2ZnO

阴极：O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

阳极：Zn+2OH^–→ZnO+H₂O+2e^-

阴极主要发生涉及到多电子反应过程的氧气还原反应，动力学较为缓慢，限制了锌空气电池的功率密度及转换效率，致使其商用化推进进程停滞不前。因此亟需开发新型氧还原电催化剂以大幅度的提高氧还原反应速率，目前常用的商业电催化剂仍为贵金属Pt/C催化剂，但Pt元素存在资源稀缺，价格昂贵及易发生毒化等缺点，限制了其规模化使用。为了大幅度提高锌空气电池的功率密度及降低研发成本，不仅需要尽快实现电催化剂等关键材料的大批量生产，而且需要降低电催化剂中铂的用量同时保证催化剂的催化活性及稳定性，对推进锌空气电池的商业化进程具有非常重要的意义。