一种Fe、N共掺杂有序介孔碳基锌-空气电池阴极氧还原催化剂的制备方法

摘要

本发明公开了一种Fe、N共掺杂有序介孔碳基锌‑空气电池阴极氧还原催化剂的制备方法，该方法以SBA‑15作为硬模板，利用1,10‑邻菲啰啉前驱体与亚铁离子的络合作用，制备了Fe、N共掺杂有序介孔碳基锌‑空气电池阴极氧还原催化剂。本发明不仅有效提升活性位点利用率，并为电荷转移和物质传输提供便利通道，制得的Fe、N共掺杂有序介孔碳基锌‑空气电池阴极氧还原催化剂具有优异的氧还原性能，将其作为锌‑空气电池阴极催化剂均表现出良好的功率密度和长期循环稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于锌-空气电池阴极氧还原碳基催化材料的合成技术领域，具体涉及一种Fe、N共掺杂有序介孔碳基锌-空气电池阴极氧还原催化剂的制备方法。

背景技术

随着全球能源短缺和环境污染问题的日益加剧，发展绿色、可持续能源转换和存储装置已迫在眉睫。锌-空气电池（ZABs）因具有比能量密度高、成本低以及安全性好等优点，吸引了研究者的广泛关注。众所周知，电化学氧还原反应（ORR）作为ZABs体系的放电反应，其缓慢的动力学过程极大地限制了器件的功率密度，需借助高性能催化剂来降低反应能垒，加速反应动力学。目前，铂（Pt）及其合金材料是常用的ORR催化剂，然而其成本高昂、储量稀缺以及稳定性差，限制了其在ZABs的规模化应用。因此，开发性能与Pt基催化剂相当，但成本低廉、耐久性好的非贵金属ORR催化剂具有重要意义。

过渡金属修饰的氮掺杂碳材料（M-N/C）因具有较高的ORR活性而受到研究者的广泛关注。近年来，以Fe-N

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种Fe、N共掺杂有序介孔碳基锌-空气电池阴极氧还原催化剂的制备方法，该方法以SBA-15作为硬模板，利用1,10-邻菲啰啉和2,6-二氨基吡啶作为碳和氮前驱体，制备了Fe、N共掺杂有序介孔碳基锌-空气电池阴极氧还原催化剂。通过1,10-邻菲啰啉配体的N原子与金属前驱体相互作用形成六配位络合物来稳定Fe

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种Fe、N共掺杂有序介孔碳基锌-空气电池阴极氧还原催化剂的制备方法，其特征在于具体过程为：

步骤S1：将1,10-邻菲啰啉和七水合硫酸亚铁分散在乙醇和水的混合溶液中，超声混合均匀，再加入2,6-二氨基吡啶和SBA-15，室温搅拌混合均匀后，经干燥和研磨得到物料A；

步骤S2：将步骤S1得到的物料A转移至刚玉舟，并置于管式炉中，随后在惰性气体中由室温经55min升温至300℃保持60min，再以5℃/min的加热速率升温至900℃保持120min，然后自然冷却到室温得到物料B；

步骤S3：将步骤S2得到的物料B转移至酸性溶液中，浸泡24h后用去离子水洗涤至中性，然后干燥12h，经研磨均匀后得到Fe、N共掺杂有序介孔碳基锌-空气电池阴极氧还原催化剂C。

优选的，步骤S1中所述1,10-邻菲啰啉、七水合硫酸亚铁、2,6-二氨基吡和硬模板剂SBA-15的投料质量比为0.27:0.16:1.5:0.5。

优选的，步骤S2中所述惰性气体为氮气或氩气中的一种或多种，酸性溶液为盐酸溶液或氢氟酸溶液。

优选的，所述的Fe、N共掺杂有序介孔碳基锌-空气电池阴极氧还原催化剂的制备方法，其特征在于具体步骤为：

步骤S1：将0.27g 1,10-邻菲啰啉和0.16g七水合硫酸亚铁溶解在40mL乙醇和水的混合溶液中，超声10min混合均匀，再加入1.5g 2,6-二氨基吡啶和0.5g硬模板剂SBA-15，室温搅拌1h，洗涤和干燥后得到物料A1；

步骤S2：将步骤S1得到的物料A1转移至刚玉舟，并置于管式炉中，在惰性气体氛围中由室温经55min升温至300℃保持60min，再以5℃/min的升温速率升温至900℃保持120min，然后自然冷却到室温得到物料B1；

步骤S3：将步骤S2得到的物料B1转移至质量分数为20%的氢氟酸溶液中，浸泡24h后用高纯水洗涤至中性，然后置于80℃烘箱中干燥12h得到Fe、N共掺杂有序介孔碳基锌-空气电池阴极氧还原催化剂C1。

本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

1、本发明借助1,10-邻菲啰啉配体与金属前驱体的相互作用可得到具有高密度和高稳定Fe-N

2、本发明通过SBA-15模板可控构筑的碳材料不仅继承了SBA-15模板的反向复制棒状结构，还具有孔尺寸约5 nm左右的丰富介孔和高比表面积，有利于在ORR过程中提供更多活性位点、更大的反应界面和丰富的电子转移路径。

3、本发明制得的Fe、N共掺杂有序介孔碳基锌-空气电池阴极氧还原催化剂不仅表现出良好的ORR性能，还在锌-空气电池中表现出的优异功率密度和循环稳定性。

附图说明

图1为实施例1制备的目标产物C1的扫描电镜图；

图2为实施例1制备的目标产物C1的氮气吸脱附曲线图和孔径分布图；

图3为实施例1制备的目标产物C1的X射线衍射图；

图4为实施例1、2、3和4制备的目标产物的线性扫描伏安曲线图；

图5为实施例1制备的目标产物C1组装的锌-空气电池的功率密度图；

图6为实施例1制备的目标产物C1组装的锌-空气电池的循环稳定性图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

步骤S1：将0.27g 1,10-邻菲啰啉和0.16g七水合硫酸亚铁溶解在40mL乙醇和水的混合溶液中，超声10min混合均匀，再加入1.5g 2,6-二氨基吡啶和0.5g硬模板剂SBA-15，室温搅拌1h，洗涤和干燥后得到物料A1；

步骤S2：将步骤S1得到的物料A1转移至刚玉舟，并置于管式炉中，在惰性气体氛围中由室温经55min升温至300℃保持60min，再以5℃/min的升温速率升温至900℃保持120min，然后自然冷却到室温得到物料B1；

步骤S3：将步骤S2得到的物料B1转移至质量分数为20%的氢氟酸溶液中，浸泡24h后用高纯水洗涤至中性，然后置于80℃烘箱中干燥12h得到目标产物C1。

实施例2

步骤S1：将0.16g七水合硫酸亚铁溶解在40mL乙醇和水的混合溶液中，超声10min混合均匀，再加入1.5g 2,6-二氨基吡啶和0.5g硬模板剂SBA-15，室温搅拌1h，洗涤和干燥后得到物料A2：

步骤S2：将步骤S1得到的物料A2转移至刚玉舟，并置于管式炉中，在惰性气体氛围中先由室温经55min升温至300℃并保持60min，再以5℃/min的升温速率升温至900℃并保持120min，然后自然冷却到室温得到物料B2；

步骤S3：将步骤S2得到的物料B2转移至质量分数为20%的氢氟酸溶液中，浸泡24h后用高纯水洗涤至中性，然后置于80℃烘箱中干燥12h得到目标产物C2。

实施例3

步骤S1：将0.27g 1,10-邻菲啰啉和0.16g七水合硫酸亚铁溶解在40mL乙醇和水的混合溶液中，超声10min混合均匀，再加入0.5g硬模板剂SBA-15，室温搅拌1h，洗涤和干燥后得到物料A3：

步骤S2：将步骤S1得到的物料A3转移至刚玉舟，并置于管式炉中，在惰性气体氛围中先由室温经55min升温至300℃并保持60min，再以5℃/min的升温速率升温至900℃并保持120min，然后自然冷却到室温得到物料B3；

步骤S3：将步骤S2得到的物料B3转移至质量分数为20%的氢氟酸溶液中，浸泡24h后用高纯水洗涤至中性，然后置于80℃烘箱中干燥12h得到目标产物C3。

实施例4

步骤S1：将0.27g 1,10-邻菲啰啉溶解在40mL乙醇和水的混合溶液中，超声10min混合均匀，再加入1.5g 2,6-二氨基吡啶和0.5g硬模板剂SBA-15，室温搅拌1h，洗涤和干燥后得到物料A4：

步骤S2：将步骤S1得到的物料A4转移至刚玉舟，并置于管式炉中，在惰性气体氛围中先由室温经55min升温至300℃并保持60min，再以5℃/min的升温速率升温至900℃并保持120min，然后自然冷却到室温得到物料B4；

步骤S3：将步骤S2得到的物料B4转移至质量分数为20%的氢氟酸溶液中，浸泡24h后用高纯水洗涤至中性，然后置于80℃烘箱中干燥12h得到目标产物C4。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。