[发明专利]一种铁复合生物质衍生碳基材料及制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种铁复合生物质衍生碳基材料及制备方法和应用，所述方法包括如下步骤：S1：将生物质水葫芦脱去水分；S2：水分脱干之后，将干燥生物质进行研磨；S3：将上述研磨之后粉末进行金属复合；S4：将所得产物在惰性气体下热处理，得到铁复合生物质衍生碳基材料，此外本发明还涉及所述材料的用途，所述铁复合生物质衍生碳基材料具有优异的性能，可用来制备金属空气电池的氧还原反应和氧析出反应，并表现出了良好的电化学性能，在电化学领域具有巨大的应用潜力和工业价值。

技术领域

本发明提供了一种复合材料及其制备方法、用途和由其制得的电极，更具体而言，提供了一种铁复合生物质衍生碳基材料及制备方法、用途和包含锌空电池应用，属于无机功能材料和电化学能源技术领域。

背景技术

金属空气电池凭借其能量密度高、安全无毒、资源丰富等优点被认为有望成为下一代能量储存设备。在众多的金属空气电池中，高理论能量密度的锌空电池受到了极大的关注。但是，空气电极上缓慢的氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)极大限制了锌空电池的性能。生物质衍生的碳基材料由于广泛易得和较低的成本成为非常具有前景的锌空电池阴极催化剂，但其OER催化活性不佳；过渡金属展现出优异的OER催化性能,但其稳定性差限制了大规模的应用。

近几年来，具有高比表面积，优异的导电性和稳定性的碳材料例如金属有机框架，石墨烯等已被广泛地应用于锌空电池方面，例如：

CN108963277A公开了金属有机框架作为前驱体并引入褶皱精细结构导向剂，再分别引入镍源掺杂剂和镁源掺杂剂，在常温下合成可充式锌空电池双功能催化剂，其中前驱体MOF为ZIF-67，褶皱精细结构导向剂为邻苯二甲酸或间苯二甲酸或对苯二甲酸，镍源掺杂剂为硝酸镍，镁源掺杂剂为硝酸镁。

CN110247068A公开了一种铁/铜氮杂石墨烯锌空气电池阴极催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将羟基氧化铁、氢氧化铜与氧化石墨烯和石墨相氮化碳(g-C₃N₄)混合，加入海藻酸钠制得凝胶；(2)将上述凝胶放入一端封闭的石英管中，用离心泵抽真空后，将石英管放入马弗炉中煅烧，再室温冷却；(3)将上步骤得到的黑色固体在盐酸中浸渍，然后用去离子水和乙醇洗涤至中性后干燥，将干燥后的黑色粉末置于一端封闭的石英管中，抽真空后煅烧，冷却后得到铁/铜氮杂石墨烯。

CN109148901A公开了一种掺杂碳基过渡金属氧化物复合材料及其制备方法和应用。制备方法包括：将海藻酸钠加入去离子水中，搅拌后得到透明粘稠液；将硫氮源加入过渡金属溶液中，搅拌后得到均一溶液；将透明粘稠液滴加至均一溶液中，搅拌、静置，得到管状凝水凝胶；将管状凝水凝胶经过滤、洗涤、冷冻干燥，得到干凝胶；将干凝胶在惰性气氛下碳化处理得到热解熟料；将热解熟料在空气气氛下热处理，再经洗涤、烘干，得到掺杂碳基过渡金属氧化物复合材料，可用作锌空气电池空气电极正极双功能催化剂。

CN112436155A公开了一种Co/N双掺杂生物质多孔碳球的析氧反应催化剂，以木质素微球作为生物质碳源，并添加额外N源，碳化得到N掺杂多孔碳球，具有丰富的介孔结构和超高的比表面积，Co²⁺热还原形成Co纳米粒子，高度分散在N掺杂多孔碳球的基体中，减少了Co纳米粒子的团聚和聚集，分散均匀的Co纳米粒子更好地与相邻的活性氮结构形成Co-N_x活性位点，作为析氧反应的活性催化中心，在多孔碳球基体和高度分散的Co-N_x催化活性中心的协同作用下，使析氧反应催化剂表现出高度的析氧起始电位和析氧半波电位，具有优异的析氧反应催化活性。

如上所述，现有技术中公开了多种金属掺杂的复合材料，正是由于金属的引入，导致最终所得的掺碳材料(例如碳纳米管、介孔碳、石墨烯等)具有展现出出色的ORR和OER活性。但另一个方面，该类催化剂的合成过程复杂，条件苛刻，难以大规模进行合成，以及其双功能电学性能仍有待进一步提高。