CN110571440B - 一种FeN4-CNT氧还原催化剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种FeN4‑CNT氧还原催化剂的制备方法，属于燃料电池和空气电池催化材料领域。本发明制备中先形成Fe‑N的配位，然后再碳化制备含FeN4的碳二维纳米片，通过含均匀分布FeN4的碳二维纳米片，以金属‑有机框架化合物(Metal‑Organic‑Framework,MOF)结构为前驱体，最终合成FeN4‑CNT催化剂。由于先形成Fe‑N的配位，使得最后制备的的Fe原子负载大幅提高；并且该制备方法中Fe原子分布均匀，催化形成的碳纳米管尺寸均一，该结构使得不仅有效的解决了原子团聚问题，也增加了Fe的活性位点数量，并且提高了FeN4活性位点的催化活性，使得制备的Fe原子负载可达2.4wt％。

Description

一种FeN4-CNT氧还原催化剂的制备方法
技术领域
本发明属于电池催化材料领域，具体涉及一种FeN4-CNT(carbon nanotube，碳纳米管) 氧还原催化剂的制备方法。
背景技术
电化学氧还原反应(oxygen reduction reaction ORR)是新能源应用，尤其是燃料电池和金属-空气电池的关键反应之一。传统的ORR催化剂主要是采用的铂系贵金属，因为其有着较高的催化活性，但是贵金属材料的稀缺性和高昂的成本限制了其商业化应用。因此，目前研究人员致力于开发出低成本、高催化活性的催化剂，以期能够取代铂系催化剂。
到目前为止，研究人员已研究制备了许多非贵金属的催化剂，如铁基、钴基催化材料，其中一些材料甚至表现出与商用Pt/C催化剂相当的性能。铁和氮掺杂碳材料(Fe-N-C)因其较高的催化活性和较低的制备成本受到研究人员的广泛关注。然而，大量的Fe-N-C催化剂仍具有较高的过电势，如：Long Jiao,et al.From Metal-Organic Frameworks toSingle-Atom Fe Implanted N-doped Porous Carbons:Efficient Oxygen Reduction inBoth Alkaline and Acidi c Media.Angew.Chem.2018,130,8661-8665，其半波电位为0.891V，因此，它们作为Pt 基电催化剂的替代物在工业上的实际应用仍然具有挑战性。
从2011年张涛团队及其合作者提出单原子催化概念以来(Botao Qiao,etal.Single-ato m catalysis of CO oxidation using Pt1/FeOx.Nature Chemistry2011,3,634-641.)，基于Fe、 Co、Ni、Cu等非贵金属单原子催化剂的制备成为研究热点。单原子催化及其支撑体系可以解决纳米材料催化过程中的团聚问题，提高催化效率和活性位点的利用率，从而进一步降低催化成本。但在实际制备过程中，由于单原子Fe在支撑体系的分布因素较多，导致目前制备的单原子金属催化剂有效负载量往往较低(<0.5wt％)，如Meiling Xiao制备的单原子Fe负载仅为0.32wt％(Meiling Xiao,et al.FrameworkInduced Synthesis of Single-Atom Disperse d Fe-N-C Acidic ORR Catalyst andIts in Situ Reduced Fe-N4Active Site Identification R evealed by X-rayAbsorption Spectroscopy.ACS Catal.2018,8,2824-2832)。因此，制备一种具有较低过电势和较高负载的Fe-N-C单原子催化剂对燃料电池甚至新能源的应用来说具有重要的意义。
综上所述，现有技术中单原子金属催化剂的制备过程中仍存在负载低和过电势较大的问题。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种FeN4-CNT氧还原催化剂的制备方法。该方法制备的氧还原催化剂以碳纳米管作为载体，单原子FeN4作催化的活性位点，即一个Fe原子上配位四个N，然后键合在碳纳米管上，具有该结构的催化剂其氧还原性能参数优异并且性能稳定。该方法制备的单原子Fe的负载可达2.4wt％，催化活性位点多，半波电位0.92V，因此有较高的催化性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种FeN4-CNT氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在去离子水中依次加入五元氮杂环化合物、铁盐和氧化剂，搅拌至溶液颜色从黑色变成绿色，然后将溶液在50℃～130℃下烘干后制备成粉末A，其中，五元氮杂环化合物、氧化剂和铁盐的质量比为(5～15)：(50～150)：1；
步骤2：在去离子水中依次加入氯化物和粉末A，搅拌至分散均匀后放置于冻干机中，冻干获得固体B，其中氯化物和粉末A的质量比为(1～10)：1；
步骤3：研磨固体B至粉末，在惰性气氛保护下进行碳化，碳化温度为500℃～1100℃，时间为1h～5h，然后自然降温冷却，得到固体混合物C；
步骤4：在去离子水中加入固体混合物C溶解后进行抽滤，然后放置到烘箱烘干50℃～ 80℃，得到黑色粉末D；
步骤5：将聚乙烯吡咯烷酮、硝酸锌、2-甲基咪唑混合溶解在去离子水中，搅拌后加入黑色粉末D得到混合分散液，将混合分散液放入水热釜，反应时间6h～12h，反应后自然冷却至室温后再冻干，去离子水溶解后抽滤清洗，即可得到FeN4-CNT催化剂。
进一步地，步骤1所述五元氮杂环化合物为吡咯、卟啉或咪唑，所述铁盐为硝酸铁、氯化铁或氯化亚铁中的一种或多种，所述氧化剂为过氧化物或过硫酸盐。
进一步地，步骤1所述铁盐的浓度为0.001g/mL～0.05g/mL。
进一步地，步骤2所述氯化物为氯化钠或氯化锌。
进一步地，步骤2所述粉末A的浓度为0.005g/mL～0.05g/mL。
进一步地，步骤3所述惰性气体为氩气或氮气，流速为100sccm-400sccm。
进一步地，步骤5所述水热反应温度为80℃～200℃。
进一步地，步骤5所述聚乙烯吡咯烷酮的浓度为0.005g/mL～0.05g/mL、硝酸锌的浓度为0.005g/mL～0.05g/mL、2-甲基咪唑混合的浓度为0.05g/mL～0.5g/mL。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明制备中先形成Fe-N的配位，然后再碳化制备含FeN4的碳二维纳米片，通过含均匀分布FeN4的碳二维纳米片，以金属-有机框架化合物(Metal-Organic-Framework,MOF)结构为前驱体，最终合成FeN4-CNT催化剂。由于先形成Fe-N的配位，使得最后制备的Fe原子负载大幅提高；并且该制备方法中Fe原子分布均匀，催化形成的碳纳米管尺寸均一，该结构使得不仅有效的解决了原子团聚问题，也增加了Fe的活性位点数量，并且提高了FeN4活性位点的催化活性，使得制备的Fe原子负载可达2.4wt％。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的单原子FeN4-CNT的同步辐射XAFS(X-ray AbsorptionFi ne Structure)谱图。
图2为本发明实施例1制备的FeN4-CNT透射电镜图。
图3为本发明实施例1制备的单原子球差电镜图。
图4为本发明实施例1制备的单原子催化剂与商用20wt％Pt/C催化剂在0.1M的KOH溶液钟的ORR性能对比测试曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
一种FeN4-CNT氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在50ml去离子水中依次加入3g吡咯、0.3g硝酸铁和30g过氧化氢，搅拌至溶液颜色从黑色变成绿色，然后把该溶液在80℃下烘干后制备成粉末A；
步骤2：在50ml去离子水中依次加入氯化锌2.5g和粉末A 0.5g，搅拌至分散均匀后放置于冻干机中，冻干获得固体B；
步骤3：研磨固体B至粉末，在氮气气氛保护下进行碳化，碳化温度为1000℃，时间为2h，然后自然降温冷却，得到固体混合物C；
步骤4：在去离子水中加入固体混合物C溶解后进行抽滤，然后放置到60℃的烘箱烘干，得到黑色粉末D；
步骤5：将聚乙烯吡咯烷酮0.2g、硝酸锌0.5g、2-甲基咪唑4g混合溶解在40ml去离子水中，搅拌后加入黑色粉末D得到混合分散液，将混合分散液放入水热釜，设置温度为120℃，反应12h后取出冻干，去离子水抽滤清洗后，即可得到FeN4-CNT氧还原催化剂。
本实施例制备的FeN4-CNT催化剂Fe的负载是2.4wt％。
FeN4-CNT进行LSV测试步骤如下：
取4mg的FeN4-CNT氧还原催化剂和1mg乙炔黑，加入380微升乙醇，加入20微升浓度为5％Nafion溶液；超声分散20分钟；用移液枪抽取10微升样品分散液体，滴在圆盘电极上，转速1600rpm进行测试。
实施例1制备的FeN4-CNT氧还原催化剂的同步辐射XAFS(X-ray Absorption FineStr ucture)谱图如图1所示，透射电镜图如图2所示，球差电镜图如图3所示，制备的FeN4-CNT与商用20wt％Pt/C催化剂在0.1M KOH溶液钟的ORR性能对比测试曲线图如图4所示。
实施例2
一种FeN4-CNT氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在50ml去离子水中依次加入咪唑1g、氯化铁0.1g和过氧化氢10g，搅拌至溶液颜色从黑色变成绿色，然后该溶液80℃烘干后制备成粉末A；
步骤2：在50ml去离子水中依次加入氯化锌3g和粉末A0.5g，搅拌至分散均匀后放置于冻干机中，冻干获得固体B；
步骤3：研磨固体B至粉末，在氮气气氛保护下进行碳化，碳化温度为900℃，时间为2h，然后自然降温冷却，得到固体混合物C；
步骤4：在去离子水中加入固体混合物C溶解后进行抽滤，然后放置到烘箱烘干60℃，得到黑色粉末D；
步骤5：将聚乙烯吡咯烷酮0.2g、硝酸锌0.5g、2-甲基咪唑3g混合溶解在40ml去离子水中，搅拌后加入黑色粉末D得到混合分散液，将混合分散液放入水热釜，反应时间12 h，反应后自然冷却至室温后再冻干，去离子水溶解后抽滤清洗，即可得到FeN4-CNT催化剂。
本实施例制备的FeN4-CNT催化剂Fe的负载是0.5wt％。
图1为本发明实施例1制备的单原子FeN4-CNT的同步辐射XAFS(X-ray AbsorptionFi ne Structure)谱图，从图1a中可以看出，对比Fe foil(Fe箔)，FeN4-CNT和Fe2O3，由近边信息推出FeN4-CNT中Fe氧化态介于0到+3之间，由图1b可知，FeN4-CNT在Fe-Fe键的峰值处无峰，且制备的催化材料与Fe键只有Fe-N键，说明Fe呈单原子分布。
图2为本发明实施例1制备的FeN4-CNT透射电镜图，从形貌上可以看出FeN4分布在碳纳米管的支撑结构上。
图3为本发明实施例1制备的单原子球差电镜图，其中Fe原子以单原子形态均匀分布在 CNT表面。
图4为本发明实施例1制备的单原子催化剂与商用20wt％Pt/C催化剂在0.1M KOH溶液钟的ORR性能对比测试曲线图，从图中可以看出，Pt/C和FeN4-CNT的半波电位分布为0.87V，0.92V，半波电位越高其过电势越小。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (9)

1.一种FeN4-CNT氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在去离子水中依次加入五元氮杂环化合物、铁盐和氧化剂，搅拌至溶液颜色从黑色变成绿色，然后将溶液在50℃～130℃下烘干后制备成粉末A，其中，五元氮杂环化合物、氧化剂和铁盐的质量比为(5～15)：(50～150)：1；
步骤2：在去离子水中依次加入氯化物和粉末A，搅拌至分散均匀后放置于冻干机中，冻干获得固体B，其中氯化物和粉末A的质量比为(1～10)：1；
步骤3：研磨固体B至粉末，在惰性气氛保护下进行碳化，碳化温度为500℃～1100℃，时间为1h～5h，然后自然降温冷却，得到固体混合物C；
步骤4：在去离子水中加入固体混合物C溶解后进行抽滤，然后放置到烘箱烘干50℃～80℃，得到黑色粉末D；
步骤5：将聚乙烯吡咯烷酮、硝酸锌、2-甲基咪唑混合溶解在去离子水中，搅拌后加入黑色粉末D得到混合分散液，将混合分散液放入水热釜，反应时间6h～12h，反应后自然冷却至室温后再冻干，去离子水溶解后抽滤清洗，即可得到所述FeN4-CNT催化剂。
2.如权利要求1所述FeN4-CNT氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1所述五元氮杂环化合物为吡咯、卟啉或咪唑，所述铁盐为硝酸铁、氯化铁或氯化亚铁中的一种或多种，所述氧化剂为过氧化物或过硫酸盐。
3.如权利要求1所述FeN4-CNT氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1所述铁盐的浓度为0.001g/mL～0.05g/mL。
4.如权利要求1所述FeN4-CNT氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2所述氯化物为氯化钠或氯化锌。
5.如权利要求1所述FeN4-CNT氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2所述粉末A的浓度为0.005g/mL～0.05g/mL。
6.如权利要求1所述FeN4-CNT氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，步骤3所述惰性气体为氩气或氮气，气体流速为100sccm～400sccm。
7.如权利要求1所述FeN4-CNT氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，步骤5所述水热反应温度为80℃～200℃。
8.如权利要求1所述FeN4-CNT氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，步骤5所述聚乙烯吡咯烷酮的浓度为0.005g/mL～0.05g/mL、硝酸锌的浓度为0.005g/mL～0.05g/mL、2-甲基咪唑混合的浓度为0.05g/mL～0.5g/mL。
9.一种FeN4-CNT氧还原催化剂，其特征在于，采用如权利要求1～8任一项所述的方法制备而成。
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GR01 Patent grant
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