[发明专利]基于ZIF-8的镍铁氮掺杂碳材料三功能电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ZIF‑8的镍铁氮掺杂碳材料三功能电催化剂及其制备方法和应用，属于电化学催化技术领域。本发明提供了一种基于ZIF‑8的镍铁氮掺杂碳材料三功能电催化剂，具有核壳结构，由包含铁元素和镍元素的纳米粒子组成核层，由氮掺杂的碳材料组成壳层。本发明提供的电催化剂为核壳结构，可加快反应过程的电子传递效率；铁元素、镍元素和氮元素的掺杂改变了碳材料的电子结构和形貌，提高了催化剂的导电性和催化活性位点，因此，本发明提供的电催化剂表现出了优异的多功能电催化性能，具有良好的甲醇耐受性和循环稳定性，在燃料电池及电解水等技术中具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明涉及电化学催化技术领域，具体涉及一种基于ZIF-8的镍铁氮掺杂碳材料三功能电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池、金属空气电池、电解水等能源技术以其高效的能量转换、环境友好性引起了人们的广泛关注，氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)和析氢反应(HER)是用于各种可持续能源技术的关键电极过程，但这三个过程都存在动力学缓慢的问题，目前用于ORR与HER反应的催化剂主要是Pt及其合金，用于OER反应的催化剂主要是IrO₂和RuO₂，但这些贵金属在自然界中含量稀少，所以开发新的电催化剂在新能源存储和转换领域中起着至关重要的作用，其中，碳基非贵金属催化剂作为最有可能替代上述贵金属的催化剂，引起了广泛的关注。

目前金属种类(氧化物或单质)和氮共掺杂的碳(M-N-C)是最有可能替代贵金属基电催化剂的材料，Fe-N-C在碱性与酸性环境中均表现出了优异的ORR催化活性，而双金属基催化剂(NiFe、CoFe等)由于两种金属活性组分的协同作用，形成的碳基催化剂具有更好的HER和OER性能，但稳定性和催化活性仍有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ZIF-8的镍铁氮掺杂碳材料三功能电催化剂及其制备方法和应用。本发明提供的基于ZIF-8的镍铁氮掺杂碳材料三功能电催化剂为非贵金属复合材料，成本较低，且具有优异的稳定性和催化活性，适宜在燃料电池和电解水技术领域中推广应用。

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ZIF-8的镍铁氮掺杂碳材料三功能电催化剂，具有核壳结构，由包含铁元素和镍元素的纳米粒子组成核层，由氮掺杂的碳材料组成壳层。

优选地，所述铁元素的掺杂量为0.4～0.6％，所述镍元素的掺杂量为0.21～0.33％，氮元素的掺杂量为2～4％。

优选地，所述铁元素以Fe₃O₄的形式存在；所述镍元素以NiO和单质Ni的形式存在，所述NiO和单质Ni的质量比为(9.78～15.2)：1。

优选地，所述电催化剂为正十二面体形状，外表面粗糙，所述电催化剂的比表面积为303.62～516.26m²g^-1；尺寸为200～500nm。。

本发明提供了上述技术方案所述电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将泡沫镍和三价铁盐在有机溶剂中进行混合，发生氧化还原反应，得到氧化还原产物体系；

(2)将所述氧化还原产物体系与锌盐、2-甲基咪唑混合，进行水热反应，得到NiFeZn-ZIF前驱体；

(3)将所述NiFeZn-ZIF前驱体进行碳化处理，得到所述电催化剂。

优选地，步骤(1)所述氧化还原反应的温度为30～40℃，时间为1.5～2.5h。

优选地，步骤(2)所述水热反应的温度为120～160℃，所述水热反应的时间为5～8h。

优选地，步骤(3)所述碳化处理的温度为850～950℃，所述碳化处理的时间为3～5h。