[发明专利]一种3D结构Fe/Fe3

说明书

本发明公开了一种3D结构Fe/Fe₃C@FeNC双功能氧电催化剂及其制备方法和应用，属于能源材料和电催化技术领域。首先，制备出具有3D结构的由纳米棒组装的Fe₂O₃微球，在室温碱性条件下多巴胺通过缩聚反应形成聚多巴胺包覆在3D Fe₂O₃表面的Fe₂O₃@PDA，然后，3D结构的Fe₂O₃@PDA与一定质量比g‑C₃N₄研磨均匀，最后，在600～700℃下进行热解得到Fe/Fe₃C@FeNC双功能氧电催化剂。本发明制备得到的催化剂在提高氮含量的同时又能保证3D结构的稳定，有利于提高材料的ORR/OER催化性，该制备方法工艺简单和普遍使用性。

技术领域

本发明属于能源材料和电催化技术领域，具体涉及一种通过多巴胺保护策略构建的3D结构Fe/Fe₃C@FeNC双功能氧电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

氧还原反应(ORR)在燃料电池和金属空气电池中均有广泛应用。燃料电池和金属空气电池等能源器件具有能源转换效率高，环境友好等优势，对于解决日益严峻的能源短缺和环境污染问题有着重要的意义。但是氧还原反应和析氧反应过程复杂，涉及一系列动力学缓慢的多步电子转移的电化学，是限制相关能源装置性能的主要问题。为了解决这一突出问题，设计高性能的双功能氧电催化剂，改善催化剂在ORR/OER中的催化活性，可极大提高能量转换效率，对于开发能源装置至关重要。

目前，普遍认为铂(Pt)基材料是性能最佳的ORR催化剂，也是唯一投入商用的ORR催化剂，IrO₂是性能最佳的OER催化剂。但Pt、Ir等贵金属资源短缺和较高的成本严重限制了其大规模的应用。因此，制备高活性，价格低廉的Pt和Ir替代催化剂，是实现燃料电池和金属空气电池大规模商业化的核心关键。

近年来，高电催化活性的非贵金属催化剂都得到了广泛的关注，尤其铁-氮共掺掺杂的碳纳米材料，由于其中的Fe-N-C结构提供了足够的活性位点用于氧气(O₂)的吸附和还原，因而具有优异的ORR催化活性。很多具有Fe-N-C结构的碳纳米复合材料，其ORR性能设置可与商业化的Pt基催化剂相媲美。然而，含有Fe-N_X配体的3D结构的碳材料作为一种电催化剂虽表现出优异的ORR催化活性，但其OER活性并不突出，这严重限制了这类材料在可充电锌空电池方面的应用。

发明内容