[发明专利]氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂、其制备方法及应用，本发明氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂，以氮掺杂碳纳米片为载体，以氧化亚铁量子点作为氧还原电催化剂颗粒。本发明选择简单易得的六水合三氯化铁为铁源，氮掺杂剂采用尿素，硫脲，三聚氰胺等高富含氮化合物，以类石墨烯碳纳米片为碳源，通过冷冻干燥和热解过程得到量子点级别的氧化铁基的氮掺杂碳纳米片，该材料具有优异的电化学氧还原性能。本发明合成：制作方法简单，成本低廉，适合工程放大和规模化制备；高氮源和过渡金属铁的共掺杂，可有效提高该材料的电催化活性，在氮掺杂碳纳米片电催化的制备领域具有重要的意义和价值。

技术领域

本发明涉及多孔碳材料制备及电化学催化领域，具体指一种氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片氧还原电催化剂的制备方法。

背景技术

催化剂材料在多数的电化学能源转化装置中都发挥着至关重要的作用，大气中无处不在的氧气是一类常见的氧化剂，因此氧还原反应(oxygen reduction reaction，ORR)在能源设备中的应用极为广泛，如燃料电池、金属-空气电池等，因此，ORR催化剂在提高燃料电池和空气电池的阴极反应性能上发挥了关键作用。目前，用于ORR的最有效电催化剂是铂(Pt)和基于铂的材料，然而，高成本、较差的耐受性和不稳定性阻碍了它们的大规模商业化应用。因此，在实际应用中，人们为开发用于ORR的高效经济的非贵金属电催化剂以替代铂基催化剂做出了很大的努力。因此，开发一种保持甚至提高电化学活性、成本低廉、易于实现、稳定性优异的高效的氧还原催化剂成为急需解决的技术问题。

金属氮化物作为一种常见的金属间隙化合物，由于自身特殊的电子结构和类金属性质，具有优异的电子传导能力。其耐腐蚀性、热稳定性与电化学稳定性都使得该类材料在电化学催化领域中具有极大的应用潜力。金属-N/C类催化剂材料尤其是在近年来得到广泛关注，被认为是最有希望替代贵金属的催化剂材料。但是这类相关材料的合成成本高、不稳定易失活及活性位点少的问题始终困扰着其实际应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于解决氮掺杂碳纳米片材料在氧还原催化反应领域应用的问题，提供一种氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂、其制备方法及应用，适合应用于氧还原反应，其制备方法简单，成本低廉，可以适用于大规模的商业生产，有望在电催化氧还原领域取代铂碳催化剂。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：

本发明采用的反应机理为：

通过聚合物包封和热解过程，以六水合三氯化铁为铁源，尿素为氮源，类石墨烯碳纳米片为碳源，在中性环境下，六水合三氯化铁和氮掺杂碳纳米片搅拌混合，冷冻干燥后，进一步高温热解后形成氧化亚铁基氮掺杂碳纳米片。

根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：

一种氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂，以氮掺杂碳纳米片为载体，以氧化亚铁量子点作为氧还原电催化剂颗粒。

优选地，氧化亚铁量子点颗粒直径为1-4nm。

进一步优选地，氧化亚铁量子点颗粒平均直径为2.5±0.2nm。

优选地，氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的氧还原性能的起始电位不低于1.06V；半波电位不低于0.94V；极限电流密度不低于5.3mA cm^-2。

一种本发明氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)氮掺杂碳纳米材料粗产物制备：