CN110404576A - 三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料及其制备方法 - Google Patents

三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明为三维大孔‑介孔复合结构的自支撑Fe‑N‑C纳米电催化剂材料的制备方法。所述方法采用传统静电纺丝技术,以PVP(聚乙烯吡咯烷酮)或PAN(聚丙烯腈)为成纤模板,在纺丝溶液中添加高导电石墨烯或少层石墨烯和铁盐,在收集板上原位制备由聚合物基复合纳米纤维构筑的三维立体的前体材料,经过后续预氧化、碳化过程,获得由Fe‑N‑C纳米纤维构筑的大孔结构的纳米电催化剂材料。本发明方法通过前述添加的高导电石墨烯为种子,以铁盐为催化剂实现纳米纤维的二次造孔和石墨烯颗粒的外延生长,获得大孔‑介孔复合结构的自支撑Fe‑N‑C纳米电催化剂材料,避免O2、H2O等物质在低维度材料传质过程单一、局部受限的缺点。

Description

三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料 及其制备方法
技术领域
本发明属于新材料的制备方法,本发明涉及三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法。
背景技术
阴极氧还原反应(ORR)是燃料电池和金属空气电池的控速步骤,目前广泛使用铂基贵金属催化剂,其价格昂贵、资源紧缺。近年来,寻求廉价催化剂替代贵金属并提高其电催化性能受到越来越广泛的关注。以Fe-N-C为代表的非贵金属氧还原催化剂,由于其材料来源广泛,成本低廉,性能和Pt基催化剂相当甚至更优,而成为下一代氧还原催化剂的理想选择。目前公开报道的Fe-N-C催化剂,可以通过其前驱体组分、制备条件、制备工艺等的控制,实现对最终的催化剂的形貌控制,进而直接影响催化剂的活性及稳定性。
现有非贵金属碳材料ORR催化剂的研究主要集中于一维、二维结构的多孔碳材料上,但低维度结构的各向异性使O2、H2O等在传递过程中至少受一个维度上的限制,不利于其传质过程,会极大影响ORR的动力学性能。因此需要对现有Fe-N-C催化剂的结构进行改进。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明的目的是提供一种具有三维大孔/介孔结构的Fe-N-C纳米电催化剂材料及其制备方法。
为实现上述发明目的,本发明采用以下技术方案:
一种Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法,所述方法为:采用静电纺丝技术,以PVP(聚乙烯吡咯烷酮)或PAN(聚丙烯腈)为成纤模板,在纺丝溶液中添加高导电石墨烯或少层石墨烯和铁盐,在收集板上原位制备由聚合物基复合纳米纤维构筑的三维立体的前体材料,再经预氧化、碳化过程,获得由Fe-N-C纳米纤维构筑的大孔结构的纳米电催化剂材料。
进一步地,在上述技术方案中,所述高导电石墨烯或少层石墨烯电导率>103S/cm。
进一步地,在上述技术方案中,所述铁盐为硝酸铁、氯化铁或醋酸铁。
进一步地,在上述技术方案中,所述制备方法具体为:
(1)配置纺丝前驱体溶液:取高导电石墨烯或少层石墨烯和铁盐,以N-N二甲基甲酰胺或乙醇、乙酸混合液为溶剂,PVP或PAN为胶黏剂配置纺丝前驱体溶液;(2)静电纺丝:步骤(1)配置的纺丝前驱体溶液进行静电纺丝,纺丝电压为10kV~20kV左右,接收距离为10~25cm;在铝箔收集板上原位制备由聚合物基复合纤维构筑的三维网状结构的前体材料;(3)预氧化、碳化:将步骤(2)制备的前体材料在空气的氛围中预氧化处理250~350℃,预氧化处理后置于NH3的气氛中600~900℃煅烧,保温2-4小时以上,即得所需Fe-N-C纳米电催化剂材料。
优选地,在上述技术方案中,PVP为胶黏剂时溶剂为N-N二甲基甲酰胺,PAN为胶黏剂时,溶剂为乙醇、乙酸混合液。
进一步地,在上述技术方案中,所述溶剂:铁盐:石墨烯:胶黏剂加入量比为30~40ml:1g~3g:10mg~100mg:3~8g。
一种具有三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料,所述材料由上述制备方法制备得到。
本发明的有益效果:本发明以微量高导电石墨烯或少层石墨烯为添加剂,增加电纺过程中的溶液射流的导电性,获得三维立体的前体材料,在后续的预氧化、碳化过程,以前述添加的石墨烯为生长种子,以铁盐为催化剂,实现所得无机纳米纤维的二次造孔和石墨烯颗粒的外延生长,获得大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料,其宏观尺寸可达5×5×5mm3以上,富含孔径为50-100μm的大孔和众多的介孔,具有很大的比表面积和很高的孔隙率,避免O2、H2O等物质在低维度材料传质过程单一、局部受限的缺点。本发明方法得到的电催化剂材料可以取得与Pt/C相媲美的ORR性能,和良好的耐甲醇性能。
附图说明
图1实施例1中煅烧温度800℃的Fe-N-C催化剂的三维图;
图2实施例1中煅烧温度800℃的Fe-N-C催化剂的三维断面图;
图3实施例1中煅烧温度800℃的Fe-N-C催化剂的表面SEM图;
图4实施例1、实施例2和实施例3中煅烧温度800℃的Fe-N-C催化剂的吸附脱附曲线及孔径分布图;
图5实施例1中煅烧温度800℃的Fe-N-C催化剂与20%Pt/C催化剂在0.1M KOH溶液中分别在氮气及氧气饱和条件下的CV曲线(R=1600rpm);
图6实施例1、实施例2和实施例3中煅烧温度800℃的Fe-N-C催化剂与20%Pt/C催化剂在0.1M KOH溶液中的极化曲线;
图7实施例1中煅烧温度800℃的Fe-N-C催化剂与20%Pt/C催化剂在0.1M KOH溶液中的电位图(R=1600rpm)。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。实验中所用的少层石墨烯、高导电石墨烯、20%Pt/C和其他试剂均可通过商业途径购买得到。
实施例1
取少层石墨烯10mg和FeNO3 .9H2O 2g于100ml广口瓶中,以30mlN-N二甲基甲酰胺做溶剂,5g PVP为胶黏剂配置纺丝前驱体溶液。在室温为20℃,相对湿度为20的环境中进行静电纺丝,纺丝电压为18kV~20kV左右,接收距离为10~15cm,在铝箔收集板上原位制备由聚合物基复合纤维构筑的三维网状结构的前体材料。将该催化剂材料在空气的氛围中预氧化处理300℃,再将催化剂分四份分别置于NH3的气氛中分别煅烧至600℃、700℃、800℃、900℃,保温2-4小时以上,获得4份不同煅烧温度下的具有三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料。
实施例2
取高导电石墨烯100mg和Fe(NO3)3 .9H2O 2g于100ml广口瓶中,以40ml N-N二甲基甲酰胺做溶剂,6g PVP为胶黏剂配置纺丝前驱体溶液。在室温为20℃,相对湿度为20的环境中进行静电纺丝,纺丝电压为18kV~20kV左右,接收距离为10~15cm,在铝箔收集板上原位制备由聚合物基复合纤维构筑的三维网状结构的前体材料。将该催化剂材料在空气的氛围中预氧化处理300℃,再将催化剂置于NH3的气氛中分别煅烧至600℃、700℃、800℃、900℃,保温2-4小时以上,获得具有三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料。
实施例3
取高导电石墨烯50mg和2g FeCl3于100ml广口瓶中,以乙醇和乙酸的混合溶剂40ml,6g PAN为胶黏剂配置纺丝前驱体溶液。在室温为20℃,相对湿度为20%的环境中进行静电纺丝,纺丝电压为18kV~20kV左右,接收距离为10~15cm,在铝箔收集板上原位制备由聚合物基复合纤维构筑的三维网状结构的前体材料。将该催化剂材料在空气的氛围中预氧化处理300℃,再将催化剂置于NH3的气氛中分别煅烧至600℃、700℃、800℃、900℃,保温2-4小时以上,获得具有三维大孔/介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料。
本发明提供的具有三维大孔/介孔结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法,由Fe-N-C纳米纤维构筑成自支撑的三维大孔结构的纳米催化剂材料,且Fe-N-C纳米纤维上拥有众多的介孔,这种大孔-介孔复合结构具有很大的比表面积和很高的孔隙率、以及较为规则的孔道结构,可以提供较多的反应位点且不容易被反应产物堵塞,可为多种气体提供很大的吸附表面,并能减小气体在催化剂材料内部的通行阻力,可在质子交换膜燃料电池、锂空气电池、气体传感器、新型催化等领域有重要的应用价值。
对于任何熟悉本领域的技术人员而言,在不脱离本发明技术方案范围情况下,都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法,其特征在于,所述方法为:采用静电纺丝技术,以PVP或PAN为成纤模板,在纺丝溶液中添加高导电石墨烯或少层石墨烯和铁盐,在收集板上原位制备由聚合物基复合纳米纤维构筑的三维立体的前体材料,再经预氧化、碳化过程,获得由Fe-N-C纳米纤维构筑的大孔结构的纳米电催化剂材料。
2.根据权利要求1所述的一种Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法,其特征在于,所述高导电石墨烯或少层石墨烯的电导率>103S/cm。
3.根据权利要求1所述的一种Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法,其特征在于,所述铁盐为硝酸铁、氯化铁或醋酸铁。
4.根据权利要求1所述的一种Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法具体为:
(1)配置纺丝前驱体溶液:取高导电石墨烯或少层石墨烯和铁盐,以N-N二甲基甲酰胺或乙醇、乙酸混合液为溶剂,PVP或PAN为胶黏剂配置纺丝前驱体溶液;
(2)静电纺丝:步骤(1)配置的纺丝前驱体溶液进行静电纺丝,纺丝电压为10kV~25kV左右,接收距离为10~25cm;在铝箔收集板上原位制备由聚合物基复合纤维构筑的三维网状结构的前体材料;
(3)预氧化、碳化:将步骤(2)制备的前体材料在空气的氛围中预氧化处理250~350℃,预氧化处理后置于NH3的气氛中600~900℃煅烧,保温2-4小时以上,即得所需Fe-N-C纳米电催化剂材料。
5.根据权利要求4所述的一种Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法,其特征在于,所述溶剂:铁盐:石墨烯:胶黏剂加入量比为30~40ml:1g~3g:10mg~100mg:3~8g。
6.一种具有三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料,其特征在于,所述材料由权利要求1~5任一项所述的制备方法制备得到。
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