[发明专利]一种基于三维多孔碳负载的Fe单原子催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种基于三维多孔碳负载的Fe单原子催化剂及其制备方法和应用，属于锌空气电池技术领域。本发明所述基于三维多孔碳负载的铁单原子催化剂，包括无定型掺氮碳层骨架以及负载于所述无定型掺氮碳层骨架上的铁单原子，呈现Fe‑N₄配位结构，所述铁单原子催化剂呈现三维多孔形貌。本发明所述催化剂具有内部连通的三维多孔结构，三维结构既提高了传质速度又暴露出了更多活性位点，促进传质过程，从而使催化剂材料获得极高的催化活性。Fe‑N₄配位结构作为氧还原反应的活性位点，发生氧气的吸附还原和产物的脱附。

技术领域

本发明涉及锌空气电池技术领域，尤其涉及一种基于三维多孔碳负载的Fe单原子催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

锌空气电池因其理论能量密度高(1086Wh kg^-1)、低成本和环保等优点而被认为是最有前途的储能和转换装置之一。然而，其阴极的氧还原反应动力学缓慢，这严重限制了锌空气电池的能量转换效率。铂(Pt)基催化剂被称为商业氧还原反应(ORR)电催化剂，活性较高。然而，铂金属储量较少且铂基催化剂成本较高、稳定性差，限制了其大规模工业应用。因此，开发高活性、稳定性且成本低廉的ORR催化剂迫在眉睫。

具有负载在碳载体上的M-N_x基团的过渡金属单原子催化剂(M-N-C、M＝Fe、Mn、Co等)因其储量高、成本低、原子利用率高和电子环境可调控等优势极具发展前景。其中，Fe-N-C单原子催化剂最有潜力。在过去几年中，人们广泛的研究了负载在不同碳基底上的Fe-N-C单原子催化剂，如MOF衍生的碳块、碳纳米管和石墨烯薄片。然而，大多数Fe-N_x基团锚定在易于团聚的块状碳或易于堆叠的二维石墨烯上，这导致只有少数裸露在外表面的Fe-N_x基团充当真正的活性位点，而内部的位点由于不与电解质和溶解氧接触，不参与氧还原反应，从而限制了ORR性能。此外，由于铁单原子容易团聚，仅仅通过增加金属负载量很难提高催化剂的电催化活性。因此，改进催化剂的多孔几何形状和纳米结构，以暴露更多的活性位点并增强传质能力成为了一种有效的策略。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三维多孔碳负载的Fe单原子催化剂及其制备方法和应用，所述Fe单原子催化剂具有优异的传质能力，催化活性高。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种基于三维多孔碳负载的铁单原子催化剂，包括无定型掺氮碳层骨架以及负载于所述无定型掺氮碳层骨架上的铁单原子，呈现Fe-N₄配位结构，所述铁单原子催化剂呈现三维多孔形貌。

优选的，铁单原子的含量为4～8wt.％。

本发明提供了上述技术方案所述基于三维多孔碳负载的铁单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将碳源、氮源、铁源、盐模板和水混合，进行自组装，得到三维前驱体；

在氩气气氛下，将所述三维前驱体依次进行煅烧和退火，得到基于三维多孔碳负载的铁单原子催化剂。

优选的，所述碳源为葡萄糖；所述氮源为二氰二胺或氨气；所述铁源为柠檬酸铁铵。

优选的，所述盐模板为氯化钠或氯化铵。

优选的，所述碳源、氮源、铁源和盐模板的质量比为0.62:(1～1.5):(0.028～0.056):(8～12)。

优选的，所述自组装的温度为-35℃～-50℃，时间为10～15h。

优选的，所述煅烧的温度为760～780℃，时间为2～3h。

优选的，所述退火的温度为850～1050℃，时间为0.5～2h。