[发明专利]ZIF-L衍生含有氧空位的多维交联结构Fe-N-C催化剂及Al-空电池

说明书

本发明涉及一种ZIF‑L衍生含有氧空位的多维交联结构Fe‑N‑C催化剂及Al‑空电池。本发明获得了以下有益效果：1.通过以ZIF‑L为前驱体，与Fe(NO₃)₃·9H₂O和碳纳米材料共热解的方法制备出了含有氧空位的多维交联Fe‑N‑C电催化剂，具有较高的比表面积和较强的电子‑质子传递能力。2.由所述ZIF‑L衍生的含有氧空位的多维交联结构Fe‑N‑C催化剂以较低的氧空位浓度达到较高的ORR电催化性能，具体表现出较高的半波电位和电流密度。3.由所述ZIF‑L衍生的含有氧空位的多维交联结构Fe‑N‑C催化剂具有较高的Al‑空电池性能，具体表现出较高的功率密度。最后，本发明的制备方法具有原料来源丰富且成本较低、制备过程简单且易实现工业化发展的优点。

技术领域

本发明涉及铝空气电池的阴极氧还原反应催化剂的制备技术领域，具体涉及ZIF-L衍生含有氧空位的多维交联结构Fe-N-C催化剂的制备方法及使用该方法制备的ZIF-L衍生含有氧空位的多维交联结构Fe-N-C催化剂，以及包含所述催化剂的Al-空电池及所述Al-空电池的制备方法。

背景技术

具有较高理论比能量(8100Wh·kg^-1)的Al-空电池是以高纯度的Al合金为负极，以从空气中摄取的氧作为正极，并以KOH或NaOH溶液作为电解液，将化学能直接转变为电能的装置。Al-空电池的反应过程使得这类电池不受卡诺循环的控制，具有能量密度大、环境污染小、材料来源广泛等众多优点，成为国内外研究热点之一。然而，由于Al-空电池阴极氧气发生还原反应的动力学过于缓慢，限制了Al-空电池的商业化发展。因此，发展Al-空电池的阴极空气电极氧还原反应位置处的催化剂的电化学性能对Al-空电池的大规模发展具有重要的推动作用。尽管目前Pt/C催化剂成为市面最为广泛使用的催化剂材料，但受限于其储量低、成本高等问题，探寻非贵金属催化剂和非金属催化剂显得尤为重要。

在非贵金属催化剂中，碳基材料具有较低的成本、较高的导电性和较快的传质速率等优点，但由于碳原子周围的电子云分布均匀，使得碳基催化剂的电催化活性较差。而杂原子的掺杂可以有效改变碳原子周围的电子云分布情况。如，Fe、N等杂原子的引入使得Fe-N-C催化剂可以有效降低氧中间产物的吸附能，从而提高催化剂的电催化活性。然而，Fe-N-C催化剂目前也面临着活性位点少、活性密度低等缺点。

金属有机框架(MOFs)具有规整的多孔结构和丰富的结构可设计性，是设计过渡金属基催化剂的一类理想载体。利用金属有机框架来设计实现成本低、性能高的过渡金属基-氮-碳(M-N-C)ORR电催化剂得到了研究者们的广泛关注。其中，沸石咪唑酯骨架(ZIFs)作为金属框架有机结构(MOFs) 的一员，可以提供大量微孔结构，为更多的活性位点的暴露提供了可能，除此之外，ZIFs还可以有效避免金属原子的聚集，提高传质、传热速率，成为人们关注的用于制备优良氧还原催化剂的有前景的材料之一。

氧空位作为金属氧化物缺陷的一种，是金属氧化物在特定外界环境下 (如高温、还原处理等)造成晶格中的氧脱离，导致氧缺失所形成的。在金属氧化物中产生氧空位(Vo)可以创造不饱和位点，增强反应物的吸附来影响氧还原反应的催化性能。此外，氧空位缺陷的构筑可以通过对电子结构和几何结构产生影响，促进电子从催化剂表面到氧分子的高效转移。因此，以 ZIFs作为制造氧空位的金属有机框架前驱体，为催化剂提供更多的活性中心，成为提高催化活性的重要手段之一。