[发明专利]一种双金属原子中空碳纳米球催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供一种FeCu‑N‑HC纳米球催化剂及其制备方法，属于空气电池催化材料领域。本发明制备中先形成FeCu‑N的配位，通过物理混合NaCl和SiO₂纳米球模板，然后再碳化制备含FeCu‑N₆的中空碳纳米球，BET比表面积为610m²g^‑1。由于先形成Fe‑Cu协同配位配体，使得最后制备的FeCu‑N₆在进行氧还原催化时，能有效缩短催化步骤，提升活性位点催化速率。本发明制备的FeCu‑N‑HC中空碳纳米半球作为氧还原催化剂，其催化性能和稳定性均优于目前商用的20％Pt/C催化剂。

技术领域

本发明属于空气电池催化材料领域，具体涉及一种FeCu-N-HC(Hollow Carbon)中空碳纳米球及其制备方法，以及该纳米球作为氧还原功能催化剂的应用。

背景技术

电化学氧还原反应(oxygen reduction reaction ORR)作为制约空气电池性能的关键步骤，其效率直接关系着电池的性能，而催化剂又是与该反应相关联的重中之重。传统的催化剂主要是铂系贵金属，因其有着较高的ORR催化活性。然而，由于贵金属铂基催化剂的成本高、稳定性差，限制了其在储能器件大规模的实际应用。因此，目前研究人员致力于开发出低成本、高催化活性的氧还原催化剂。

到目前为止，研究人员已研究制备了许多非贵金属的双原子催化剂，如铁钴、锌钴、锌铁等原子级分散催化材料，其中一些材料甚至表现出与商用Pt/C催化剂相当的性能，并在制备方法也取得了一些可喜的成果。双原子电催化从理论到实践发展迅速(M.Xiao,etal.Climbing the Apex of the ORR Volcano Plot via Binuclear Site Construction:Electronic and Geometric Engineering,J.Am.Chem.Soc.2019,141,44,17763-17770)，基于Fe、Co、Mn、Ni等非贵金属双原子催化剂的制备成为研究热点。双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，优化催化过程和活性位点的利用率，从而进一步降低催化成本。

催化剂形貌调控一直是有效提升催化性能的关键技术，能实现工业化生产的大规模纳米形貌调控是实现工业应用的必经步骤。经过实践检验的ber方法是一种简便高产率的合成单分散二氧化硅纳米球的物理化学方法(Wernerber,et al.Controlledgrowth of monodis perse silica spheres in the micron size range:J.ColloidInterf.Sci.1968,26,1,62-69)。Y.Chen等人以采用ber方法合成的单分散二氧化硅纳米球为模板，实现了单原子Fe氧还原催化剂制备(Y.Chen,et al.Atomic Fe Dispersed onN-Doped Carbon Hollow Nanospheres for High-Efficiency Electrocatalytic OxygenReduction:Adv.Mater.2019,31,1806312)，但该催化剂的半波电位只有0.87V(vs.RHE)。

现有技术中双原子催化剂的仍存在过电势较大、难以大规模制备的问题，因此，制备一种具有较低过电势的双金属原子中空纳米球催化剂对空气电池甚至新能源的应用来说具有重要的意义。

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双金属原子中空碳纳米球催化剂及其制备方法。本发明制备的FeCu-N-HC氧还原催化剂以碳中空纳米球作为载体，双金属原子Fe-Cu协同作催化活性位点，Fe-Cu双金属联合配位6个N，并通过N原子键合在载体外表面，该结构的催化剂的氧还原性能参数优异并且性能稳定，能大规模制备。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：