[发明专利]3D多级孔氮掺杂碳负载单原子Fe催化剂的制备方法

说明书

本发明提供了一种3D多级孔氮掺杂碳负载单原子Fe催化剂的制备方法。实施例的制备方法包括如下步骤：使混合均匀的聚丙烯腈(PAN)和聚苯乙烯(PS)纳米材料浸渍吸附含有铁离子的溶液，得到PAN/PS‑Fe；对PAN/PS‑Fe进行预氧化处理，得到预氧化产物OPAN/PS‑Fe，以利用PAN在预氧化过程中形成的亚胺氮初步锚定铁离子；将OPAN/PS‑Fe在四氢呋喃(THF)溶液中浸泡预定时间，然后过滤洗涤除去PS，得到3D多级孔结构的3DHP‑OPAN‑Fe；对3DHP‑OPAN‑Fe进行酸洗，然后在惰性气氛中以800～1000℃焙烧预定时间。本发明方法制备的催化剂中Fe以单原子分散于碳载体中，具有极高的电催化活性、稳定性和耐甲醇性。

技术领域

本发明涉及非贵金属单原子催化剂领域；更具体地，是涉及一种3D多级孔结构的氮掺杂碳负载Fe单原子催化剂的制备方法。

背景技术

清洁、可持续的燃料电池被视为是最有前途的能量转换应用之一。燃料电池的成本主要集中于阴极侧ORR反应催化剂。目前，性能优异的铂基催化剂仍是最具商业化应用前景的ORR催化剂。然而，贵金属成本高昂、储量稀缺，促使人们转向研究成本低廉、天然丰度高的非贵金属催化剂。在这种背景下，具有氮配位的非贵过渡金属催化剂(M-N-C)，成为了替代贵金属的理想催化剂。其中，单原子M-N-C催化剂由于其原子利用率最大化、活性中心结构均一、构效关系清晰而成为研究热点。

通过高温热解含有金属、氮、碳的前驱体混合物后再酸洗是常见的制备M-N-C单原子催化剂的方法，但高温下金属原子非常容易迁移团聚形成纳米颗粒，虽然一般可以通过酸洗的方式来去除这些金属颗粒，但很多情况下高温退火形成的金属颗粒是被石墨碳层包覆的，而该石墨层不溶于酸，使得被包覆的金属纳米颗粒难以被酸洗掉，因此往往得到的是碳包覆的金属纳米颗粒和单原子同时存在的结果。

合成单原子的关键在于在碳化过程中金属原子有合适的锚定位点，使其在高温过程中不至于发生迁移团聚而生成金属颗粒。现有技术中常使用大环有机配体如卟啉、酞菁等来提前锚定金属，得到M-N配位的结构，但这类有机配体存在价格昂贵的弊端。

聚丙烯腈由于含有丰富的氰基，也被用作含氮碳前驱体来制备氮掺杂的ORR催化剂。但现有技术中普遍使用静电纺丝的方式将金属复合进去，并且得到的也不是单原子催化剂。

发明内容

本发明的主要目的是提供了一种单原子Fe-N-C催化剂的制备方法，该制备方法得到的催化剂中Fe以单原子分散于3D多级孔结构的碳载体中，具有极高的电催化活性、稳定性和耐甲醇性。

为了实现上述的主要目的，本发明提供了一种氮掺杂碳负载单原子Fe催化剂的制备方法，包括如下步骤：

使混合均匀的聚丙烯腈(PAN)和聚苯乙烯(PS)纳米材料浸渍吸附含有铁离子的溶液，得到PAN/PS-Fe；

对PAN/PS-Fe进行预氧化处理，得到预氧化产物OPAN/PS-Fe，以利用PAN在预氧化过程中形成的亚胺氮初步锚定铁离子；

将OPAN/PS-Fe在四氢呋喃(THF)溶液中浸泡预定时间，然后过滤洗涤除去PS，得到3D多级孔结构的3DHP-OPAN-Fe；

对3DHP-OPAN-Fe进行酸洗，然后在惰性气氛中以800～1000℃焙烧预定时间。

上述技术方案具有如下有益效果：

⑴巧妙利用聚丙烯腈在预氧化时形成的亚胺氮来锚定Fe原子，并在800～1000℃焙烧(碳化)前通过酸洗去除多余的未锚定的Fe，从而防止了高温焙烧过程形成金属颗粒，最终得到Fe单原子催化剂；其中，在高温条件下已经被亚胺氮锚定的Fe最终掺入碳基底中，形成Fe-N_x活性位点。