[发明专利]一种蛋黄-蛋壳结构的纳米粒子及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体的说涉及一种蛋黄-蛋壳结构的纳米粒子；本发明同时涉及该纳米粒子的制备方法和应用。

背景技术

目前，燃料电池商业化进程缓慢，其原因之一是阴极氧还原反应(ORR)所用贵金属催化剂(如Pt及其合金等)资源有限，价格较高。设计一种具有高活性、低成本的非贵金属氧还原电催化剂具有深远的意义。目前，大量的非贵金属材料作为替代Pt的催化剂已被研究者们发现，如过渡金属大环化合物，过渡金属氧化物，氮、硼、硫掺杂的碳材料等。尽管这些研究取得了较大进展，但是这些催化剂在活性和稳定性上与Pt基催化剂相比，仍有很大差距。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，制备了一种蛋黄-蛋壳结构的纳米粒子。为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：

一种蛋黄-蛋壳结构的纳米粒子，以铁或铁及碳化铁为核，N掺杂的C与铁及碳化铁形成的混合物为壳。

所述蛋黄-蛋壳结构的纳米粒子中，平均粒径为250-500nm，其中核的平均直径为100-200nm，壳的平均厚度为20-50nm。

所述碳化铁为CFe_x，其中0.125≤x≤4。

所述N掺杂的C中的N由氧化型-氮、石墨型-氮、吡咯型-氮、腈型-氮、吡啶型-氮组成；且上述结构的氮的原子摩尔含量依次分别为掺杂N的1-20％、1-30％、12-42％、5-25％、30-60％。

所述壳中的铁及碳化铁的平均粒径为10-45nm。

所述核中碳化铁占的重量含量为0-3％；所述纳米粒子表面元素的原子比含量分别为：C的含量为60-90％，单质铁的含量为0.05-30％，N的含量为1-15％；其中碳化铁占0.01-6％。

所述蛋黄-蛋壳结构的纳米粒子的制备方法，包括以下步骤，

1)前体分散液的配制：

于每100ml无水乙醇中加入6-40mL单体，并将其分散均匀；

2)Fe₃O₄-P的制备：

a.将浓度为0.4-15g/L的Fe₃O₄水分散液按体积比10:3至35：9与步骤1)所得前体分散液混合均匀；

b.将4-12mol/L酸性溶液按体积比为1:10至10：1与步骤a所得混合液，反应后过滤得固体样品；

c.将步骤b所得的固体样品重新分散在酸性溶液中，并进行反应；

d.采用去离子水对步骤b所得反应溶液进行洗涤至溶液呈中性，过滤后干燥得Fe₃O₄-P；

3)蛋黄-蛋壳结构的纳米粒子的制备：

将步骤2)所得Fe₃O₄-P于惰性气氛下焙烧得蛋黄-蛋壳结构的纳米粒子。

所述蛋黄-蛋壳结构的纳米粒子的制备方法，

所述步骤1)中单体为吡咯、苯胺、噻吩中的一种或两种以上的混合单体；

所述步骤2)a中Fe₃O₄的粒径为20-300nm；

所述步骤2)b中酸性溶液为盐酸、硫酸、硝酸中的一种或两种以上；反应时间为0.5-9h。

所述步骤2)c中酸性溶液为硫酸、盐酸、硝酸中的一种或两种以上的混合酸；所述酸性溶液中H⁺的浓度为0.5-2mol/L；所述固体物质于所述酸性溶液中的浓度为1-66g/L；所述反应时间为0.5-8h；

所述步骤2)d中的干燥条件为45-80℃真空条件下，烘干5-9h；

所述步骤3)中惰性气氛为N₂、Ar、He中一种或两种以上的混合气；所述焙烧温度为500-1000℃，焙烧时间为0.5-6h。

所述蛋黄-蛋壳结构的纳米粒子可用作碱性或酸性条件下的氧还原电催化剂。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明所述纳米粒子，其蛋黄-蛋壳结构有利于催化剂氧还原反应活性位增多；蛋黄及蛋壳中的CFe_x、蛋壳中氮掺杂的碳均有利于氧还原反应活性的提高。

2.本发明所述方法，简单、易于实现。其中，酸处理的步骤有利于去除制备的纳米粒子中的杂质，焙烧的步骤对制备的纳米粒子进一步处理，有利于CFe_x及氮掺杂的碳中的吡啶型-氮以及石墨型-氮的形成，从而有利于氧还原反应活性的提高。

附图说明