[发明专利]一种多孔Fe-Co-N掺杂多孔碳催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种多孔Fe‑Co‑N掺杂多孔碳催化剂及其制备方法和应用，属于电催化剂技术领域。本发明将钴盐、锌盐、溶剂、二氧化硅纳米球和二甲基咪唑混合，进行配位反应，得到中间体；将中间体与铁盐和溶剂混合，进行掺杂反应，得到前驱体；将前驱体进行焙烧后碱溶，得到多孔Fe‑Co‑N掺杂多孔碳催化剂。本发明制备的催化剂具有双金属活性位点，且Fe的加入提高了Co的结晶度，产物形貌规整且致密，同时采用二氧化硅纳米球作为模板剂提高催化剂的孔隙率和比表面积，从而提高催化剂的催化性能。实施例的结果显示，本发明制备的催化剂的半波电势为0.81V，起始电位为1.13V，10mA/cm²的过电位为0.43V。

技术领域

本发明涉及电催化剂技术领域，尤其涉及一种多孔Fe-Co-N掺杂多孔碳催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

为了应对日益严重的能源和环境污染危机，迫切需要寻求一种可重复使用的环保和高能效的新能源技术，可充电锌空气电池(ZABs)由于其低成本、高比能量密度和高安全性而成为有前途的下一代能量转换设备，受到了广泛的关注。然而，ZABs的性能与氧还原反应(ORR)和氧释放反应(OER)的电催化性能密切相关，迄今为止，Pt基和Ru/Ir基催化剂分别对ORR和OER具有高催化活性，但是，贵金属催化剂难以同时具有ORR和OER的高催化活性，另外，贵金属催化剂的高成本和稀有性也阻碍了它们在ZABs中的大规模应用。

源自金属-有机骨架(MOF)的多孔材料因其固有的高孔隙率、大的比表面积和可调的结构而引起了广泛关注，在MOF中掺杂过渡金属衍生的多孔碳材料已被报道对ORR和OER具有催化活性，如公开号为CN111569929A的发明专利中采用Co掺杂MOF，但是催化剂的半波电势在0.8V以下，其催化性能一般。

因此，如何提高非贵金属催化剂对ORR和OER的催化活性成为现有技术的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔Fe-Co-N掺杂多孔碳催化剂及其制备方法和应用。本发明制备的多孔Fe-Co-N掺杂多孔碳催化剂具有优异的ORR和OER催化性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种多孔Fe-Co-N掺杂多孔碳催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将钴盐、锌盐、溶剂、二氧化硅纳米球和二甲基咪唑混合，进行配位反应，得到中间体；

(2)将所述步骤(1)得到的中间体与铁盐和溶剂混合，进行掺杂反应，得到前驱体；

(3)将所述步骤(2)得到的前驱体进行焙烧后碱溶，得到多孔Fe-Co-N掺杂多孔碳催化剂。

优选地，所述步骤(1)中的钴盐包括六水合硝酸钴、六水合氯化钴和七水合硫酸钴中的一种；所述步骤(1)中的锌盐包括六水合硝酸锌、六水合氯化锌和七水合硫酸锌中的一种。

优选地，所述步骤(1)中的钴盐和锌盐的质量比为1:(2.5～3.5)。

优选地，所述步骤(1)中的钴盐与二氧化硅纳米球的质量比为1:(4～5)。

优选地，所述步骤(1)中的钴盐和锌盐的物质的量之和与二甲基咪唑的物质的量之比为1：(3.5～4.5)。

优选地，所述步骤(2)中的铁盐包括九水合硝酸铁、六水合氯化铁和七水合硫酸铁中的一种。

优选地，所述步骤(2)中的铁盐与所述步骤(1)中的钴盐的质量比为(0.25～0.3):1。

优选地，所述步骤(3)中焙烧的温度为850～950℃，焙烧的时间为1.5～3.5h。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备的多孔Fe-Co-N掺杂多孔碳催化剂。