[发明专利]一种铁钴合金/氮共掺杂碳气凝胶电催化材料的制备方法

说明书

一种铁钴合金/氮共掺杂碳气凝胶电极材料的制备方法，涉及催化剂制备领域。包括将海藻酸钠与聚吡咯分散于水中形成第一溶液，将铁盐和钴盐分散于水中形成第二溶液；将第一溶液滴入第二溶液中静置1h得到水凝胶，然后经冷冻干燥，在氮气中高温煅烧1h，样品酸洗后得到碳气凝胶；将固体粉末浸渍掺入三聚氰胺，干燥后再次在N₂中焙烧，获得基于海藻酸钠的铁钴合金/氮共掺杂电极材料。本发明具有氧还原(ORR)和氧析出(OER)双功能催化性能，将其组装得到的锌空气电池具有较高的功率密度和良好的充放电性能。本发明不仅使得廉价生物质海藻资源化，而且制备过程无毒无害、成本低廉，具有广阔的工业应用前景。

技术领域

本发明涉及催化剂制备领域，具体涉及一种铁钴合金/氮共掺杂碳气凝胶电催化材料的制备方法，属于电催化技术领域。

背景技术

随着现代工业和社会的快速发展，随之而来的是能源和环境问题。如今电动车辆和移动设备性能不断提高，对新的电化学能量储存和转化装置的需求非常强烈。到目前为止，可充电锌空气电池、燃料电池等因安全性高、资源丰富且环保从而受到广泛关注。然而，用于燃料电池、微生物电池、金属空气电池等催化领域的氧还原电催化剂不具有快速动力学且稳定性和抗甲醇性能差，它们在商业开发和应用上受到严重阻碍。因此寻找开发快速有效的空气阴极电催化剂非常重要。众所周知，Pt氧还原电催化反应表现出优异的活性，但其作为贵金属成本高且资源稀少而严重限制了它们的应用。因此，开发基于地球丰富的非贵金属的低成本，高活性的催化剂用于电催化中是至关重要的，并且是非常有益的。

生物质作为资源丰富、分布广泛且低污染的可再生能源，它的高效开发利用将会对解决能源、生态环境问题起到十分积极的作用。但如今生物质能源技术的发展和市场发育还不够完善，造成了大量资源的浪费与一定环境的污染。据估计，全世界每年生产约100至150亿吨生物质废物，但其中大部分未经有效再利用，特别是海洋废弃物，像一些海藻等，不仅没有加以利用，还会增加海洋污染。作为世界碳的主要来源，生物质在生命进化过程中优化了碳材料的结构。已经发现，使用它作为原料可以产生具有良好物理和化学稳定性的多孔和高反应性碳材料，也有人通过掺杂金属原子（Fe、Co、Ni等）或其他杂原子（N、S和P等）大大提高其材料性能。因此开发性能高的非贵金属掺杂生物质衍生碳材料既可以解决资源浪费的问题也可以开发新的清洁能源，符合绿色发展的要求。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种基于海藻酸钠的铁钴合金/氮共掺杂碳气凝胶电极材料的制备方法；本发明合成的复合型催化剂金属合金颗粒分散性良好，具有较高的比表面积。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种上述方法制得的电极催化剂在锌空气电池上的应用。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于海藻酸钠的铁钴合金/氮共掺杂碳气凝胶电催化材料的制备方法，包括如下步骤：

1) 将海藻酸钠与聚吡咯分散于水中形成第一溶液，将铁盐和钴盐分散于水中形成第二溶液，第二溶液中钴盐与铁盐的摩尔比为1:0.5-2；

2) 将第一溶液滴入第二溶液中静置1 h得到水凝胶，水洗后经冷冻干燥，在氮气中高温煅烧1 h，样品酸洗后得到碳气凝胶固体粉末；

3) 将固体粉末通过浸渍掺入三聚氰胺，干燥后再次在N₂中焙烧，获得基于海藻酸钠的铁钴合金/氮共掺杂催化剂。

作为技术方案的进一步改进，步骤1)中，所述海藻酸钠和聚吡咯的质量比为10:（0.5-3）；铁盐为FeCl₃·6H₂O，钴盐为CoCl₂·6H₂O。

优选地，步骤1)中，所述第一溶液中海藻酸钠和去离子水的固液质量比为1:50；第二溶液中金属盐和去离子水的固液质量比为2.5:50。