[发明专利]一种铁氮共掺杂介孔碳的非贵金属氧还原电催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种铁氮共掺杂介孔碳的非贵金属氧还原电催化剂及其制备方法与应用，以去离子水作为溶剂，蔗糖、聚(环氧乙烷)‑聚(环氧丙烷)‑聚(环氧乙烷)三嵌段共聚物、正硅酸四乙酯作为溶质，同时加入浓盐酸作为催化剂，对聚(环氧乙烷)‑聚(环氧丙烷)‑聚(环氧乙烷)三嵌段共聚物进行交联，充分反应后抽滤干燥得到混合体，然后称取一定量的混合体于去离子水中，加入适量浓硫酸、九水硝酸铁和尿素后充分搅拌，干燥后将其置于氮气氛围中进行焙烧，最后使用氢氟酸溶液去除二氧化硅，得到铁氮共掺杂介孔碳的非贵金属氧还原电催化剂。与现有技术相比，本发明原料廉价易得，制备方法简单，对环境污染小，所制备的电催化剂具有较好的氧还原催化性能。

技术领域

本发明涉及电化学能源技术及其相关技术领域，具体涉及一种铁氮共掺杂介孔碳的非贵金属氧还原电催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

燃料电池作为一种清洁的能源转换系统，将燃料的化学能转化为电能。热机由于卡诺循环限制了大约20％的转换效率，而燃料电池不受卡诺循环的限制，其能量转化率接近的100％。因此，从理论上讲，只要从外部不间断地为燃料电池提供燃料，那么燃料电池就可以一直对外输出电能。近年来，燃料电池的出货量正在迅速增长，例如，2018年燃料电池的出货量接近7万台(800兆瓦)，相应的总收入接近23亿美元。目前占市场主导地位的燃料电池，如质子交换膜燃料电池(PEMFCs)。然而，目前亟需解决的是燃料电池阴极催化剂的问题。在所有的氧还原催化剂中，铂系催化剂因其电流密度大、反应中有四电子转移过程等特点而被普遍认为是最好的。然而铂基催化剂来源稀缺、价格昂贵，而且铂基催化剂容易被一氧化碳、甲醇等物质中毒失活，是阻碍燃料电池商业化应用的最大障碍。因此，开发一种具有高催化活性的氧还原电极催化剂，在科研和实际生产应用中具有广阔的前景。

近年来，为了降低氧还原催化剂的过电位，同时降低催化剂的成本，人们不断地探索和研究，期待着替代铂基催化剂，如无金属催化剂或者非贵金属催化剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁氮共掺杂介孔碳的非贵金属氧还原电催化剂及其制备方法与应用，原料廉价易得，制备过程与生产方法相对简单，对环境污染小，所制备的铁氮共掺杂介孔碳的电催化剂具有较好的氧还原催化性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种铁氮共掺杂介孔碳的非贵金属氧还原电催化剂的制备方法，以去离子水作为溶剂，蔗糖、聚(环氧乙烷)-聚(环氧丙烷)-聚(环氧乙烷)三嵌段共聚物、正硅酸四乙酯作为溶质溶解于去离子水中，同时加入浓盐酸作为催化剂，对聚(环氧乙烷)-聚(环氧丙烷)-聚(环氧乙烷)三嵌段共聚物进行交联，充分反应后抽滤干燥得到混合体，然后称取一定量的混合体于去离子水中，加入适量的浓硫酸、九水硝酸铁和尿素后充分搅拌，干燥后将其置于氮气氛围中进行焙烧，最后使用氢氟酸溶液去除二氧化硅，得到铁氮共掺杂介孔碳的非贵金属氧还原电催化剂。

目前，各种金属、氮共掺杂碳材料被应用于氧还原催化剂中，金属通常有铁、钴、镍、铜或锰等。其中，铁氮共掺杂催化剂碳材料在碱性介质中具有良好的氧还原性能，其性能可以与铂基催化剂相媲美，甚至可以超越铂基催化剂。

在本发明中，以去离子水作为溶剂，廉价易得的蔗糖作为碳源，聚(环氧乙烷)-聚(环氧丙烷)-聚(环氧乙烷)三嵌段共聚物(P123)作为碳前体，正硅酸四乙酯(TEOS)作为造孔剂，同时加入浓盐酸作为催化剂，对P123进行交联。本发明用的蔗糖及其它原料价格便宜，制备过程与生产方法相对比较简单，易于大规模生产。

进一步地，该制备方法具体包括以下步骤：

(1)先将廉价易得的蔗糖和聚(环氧乙烷)-聚(环氧丙烷)-聚(环氧乙烷)三嵌段共聚物作为碳源加至去离子水中，然后边搅拌边滴加质量分数为37％的浓盐酸，最后称取正硅酸四乙酯加入，40～50℃下充分搅拌；

(2)22～26h后升温至90～110℃，反应22～26h后停止加热，经抽滤干燥得到混合体；