[发明专利]金属有机框架衍生的介孔碳包覆Fe-N/CNTs电催化剂的制备及其应用

说明书

本发明提供一种金属有机框架衍生的介孔碳包覆Fe‑N/CNTs电催化剂的制备及其应用，包括以下具体步骤，制备UIO‑66‑NHsubgt;2/subgt;和Csubgt;3/subgt;Nsubgt;4/subgt;，将所述UIO‑66‑NHsubgt;2/subgt;与二茂铁混合研磨并加热，直至所述二茂铁完全被所述UIO‑66‑NHsubgt;2/subgt;吸收，得到混合物，将所述混合物与所述Csubgt;3/subgt;Nsubgt;4/subgt;混合研磨再进行处理，得到金属有机框架衍生的介孔碳包覆Fe‑N/CNTs电催化剂，使用此方法制备金属有机框架衍生的介孔碳包覆Fe‑N/CNTs电催化剂，具有工艺简单、条件温和、成本低廉、易于工业化生产特点，且制得的催化剂具有优异的ORR催化活性，适用于低温质子交换膜燃料电池催化剂体系。

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，特别是涉及金属有机框架衍生的介孔碳包覆Fe-N/CNTs电催化剂的制备及其应用。

背景技术

燃料电池是最有前景的能量转换装置之一，具有几乎不排放有害气体和高能量转换效率的特点。燃料电池技术通过近十年的发展逐渐走向成熟，但实现大规模的应用仍面临许多挑战。燃料电池阴极催化剂至今仍需要使用高载量的铂作为氧还原反应的催化剂，然而铂的价格十分昂贵，储量极少且地域分布不均，导致燃料电池的商业化发展受到了相当大的限制。发展高活性和高稳定性的低铂和非铂催化剂来代替传统的铂催化剂以减少博得使用量是推动燃料电池发展的重要方法。

目前采用非贵金属催化剂代替贵金属催化剂的研究比较多，但是由于非贵金属催化剂自身机构特点，导致其催化性能依旧不能与铂、钯等贵金属催化剂相比，另外，这类催化剂在酸性介质中由于活性金属组分的浸出，在质子交换膜燃料电池中表现出较差的稳定性。

目前，为减少活性中心的金属在酸性介质中的溶出以提升非贵金属催化剂在质子交换膜燃料电池中的稳定性，制备碳纳米管或石墨烯包覆金属活性物质催化剂在学术界是一个研究性热点，然而这类催化剂由于其孔结构较小且单一，热解后活性物质团聚明显阻碍了催化剂活性的发挥。

因此，研发出一种方法简单、成本低廉、结构可调控、稳定高效的ORR非贵金属催化剂具有十分重要的现实意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种金属有机框架衍生的介孔碳包覆Fe-N/CNTs电催化剂的制备方法，包括以下具体步骤：

S1.制备UIO-66-NH₂和C₃N₄；

S2.将所述UIO-66-NH₂与二茂铁混合研磨并加热，直至所述二茂铁完全被所述UIO-66-NH₂吸收，得到混合物；

S3.将所述混合物与所述C₃N₄混合研磨再进行处理，得到金属有机框架衍生的介孔碳包覆Fe-N/CNTs电催化剂。

进一步地，在所述步骤S1中，所述UIO-66-NH₂具有八面结构，且所述UIO-66-NH₂通过将四氯化锆和2-氨基对苯二甲酸超声分散在冰乙酸和DMF的混合液中，然后转至聚四氟乙烯容器中进行水浴加热，再通过离心、洗涤和干燥而制成。

进一步地，所述四氯化锆和所述2-氨基对苯二甲酸的摩尔比为1:1，且所述冰乙酸在所述DMF中所占的体积分数为12％。

进一步地，在所述步骤S2中，所述UIO-66-NH₂和所述二茂铁的质量比为1:2，且所述UIO-66-NH₂与所述二茂铁混合研磨时的加热温度为180℃，加热时间为2h。

进一步地，在所述步骤S3中，所述C₃N₄与所述混合物的质量比为1:7。