[发明专利]一种具有三级分级结构的磷酸铁催化剂、其制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种三级分级结构的磷酸铁催化剂、其制备方法及应用，其制备方法包括步骤：将铁源溶解于丙三醇中，超声形成均匀的溶液，在120‑180℃下反应8‑15h，反应完成后，经离心、洗涤、干燥，得到铁醇盐；将铁醇盐与次磷酸钠置于管式炉中，于氮气氛围下，升温至250‑320℃反应，反应完成后，经洗涤、干燥，得到磷酸铁前驱体；将磷酸铁前驱体于氮气氛围下，升温至400‑600℃热处理1‑4h，经洗涤、干燥，即得具有三级分级结构的磷酸铁催化剂。本发明所用原材料廉价易得、工艺简单，有望大规模工业应用。所得到的三级分级结构磷酸铁催化剂的微观形貌独特新颖，并且具有优异的电催化析氧、固氮性能。

技术领域

本发明涉及一种具有三级分级结构的磷酸铁催化剂、其制备方法及应用，属于能源材料技术领域。

背景技术

能源危机，环境污染迫使人们研究新的清洁能源和储能方法。其中，氢能是一种很有前景的清洁可再生能源，电解水制氢具有耗能少、无碳排放以及产品纯度高等优点，受到人们的广泛关注。而氨(NH₃)是一种重要的储氢材料，同时也是地球上人口营养的基础。由于传统Haber-Bosch工艺具有高能耗、污染严重等缺点，电化学N₂还原反应(NRR)制备氨(NH₃)引起了越来越多的关注。因此，电解水制氢和电化学N₂还原反应(NRR)是两个最受关注的电化学能量转换方式。然而，电解水过程中，阳极析氧反应(OER)涉及一个四电子转移过程，具有缓慢的反应动力学，所以会使电解水所需要的电压升高；在固氮方面过程中，由于N₂分子的固有化学惰性，同时固氮和析氢是竞争反应，所以目前为止固氮的氨产量和法拉第效率较低。

因此，为了更高效的进行析氧和固氮反应，电催化剂的研究成为重点。目前人们在催化剂的选择上进行了大量的实验，发现一种物质可以催化多种反应，如CoP、MoS₂均可以进行析氢和固氮反应。文献“J.Mater.Chem.A,2018,6,7762”制备了一种氮掺杂碳的多孔碳薄膜，这种催化剂可以同时催化氧气还原反应(ORR)、阳极析氧反应(OER)以及电化学N₂还原反应(NRR)。电催化剂在能量转换技术中发挥着关键作用，合理设计和制备具有高活性，选择性和稳定性的催化剂是电催化的首要任务。为此探索一种催化剂，可以同时催化多种反应，具有重要的意义。

近年来，过渡金属磷酸盐在电催化析氧方面受到了广泛关注。在文献“Science,2008,321,1072-1075”中，人们首次报导了磷酸钴的析氧性能，磷酸物在电催化的应用受到了人们广泛关注。除了磷酸钴以外，磷酸钼，磷酸镍等均被证明有电解水产氧性能。文献“Adv.Mater.2017,29,1704574”报导了一种无定型结构的磷酸铁，有着较好的电解水析氧性能。但是该方法制备过程复杂，制备过程涉及辛胺、油酸等有机溶剂，不符合绿色环保的理念，而且所得电催化剂只能用于催化电解水，该方法也不利于大规模生产。目前，关于磷酸铁在电化学N₂还原反应方面的报导仍然是空白。

因此，急需开发一种新型的形貌良好、高活性和稳定性的电催化剂，以达到一种催化剂催化多种反应的效果。

发明内容

针对现有技术的不足，尤其是现有技术中磷酸铁作为电解水析氧催化剂研究较少，并且没有关于过渡金属磷酸盐进行电催化氮还原的报导，本发明提供了一种具有三级分级结构的磷酸铁催化剂、其制备方法及应用。本发明所得到的三级分级结构磷酸铁催化剂的微观形貌独特新颖，并且具有优异的析氧、固氮性能。本发明所用原材料廉价易得、工艺简单，有望大规模工业应用。

本发明的技术方案如下：

一种具有三级分级结构的磷酸铁催化剂，所述催化剂的微观形貌为由粒径为11-13nm的纳米颗粒组成单层纳米片，进而由纳米片组成的纳米四棱锥，所述催化剂具有纳米颗粒-纳米片-纳米四棱锥的三级分级结构。

根据本发明，上述具有三级分级结构的磷酸铁催化剂的制备方法，包括步骤如下：