一种用于锌空电池的铁氮掺杂碳电催化剂的制备方法

技术领域

本发明涉及一类高效、廉价氧还原电催化剂，特别涉及一种铁氮掺杂碳电催化剂的制备方法及氧还原性能和锌空电池应用，属于锌空电池应用领域。

背景技术

锌空电池由于其固有的安全性、高能量密度、成本低、环境友好等优点，在未来的大规模应用中显示出巨大的前景。因此，科研工作者们付出了巨大努力来应对与可持续ZABs 相关的关键挑战，旨在显著提高其能源效率并延长其工作寿命。而提高性能关键依赖于加速阴极的氧还原反应（ORR）动力学。目前主流的铂族金属（Pt）催化剂（PGM）具有高活性，然而高昂的成本和较差的耐久性严重阻碍了其广泛应用，因此需要ORR活性高且稳定性优良的无铂电催化剂作为替代品。Fe-N-C材料由于其良好的活性、丰度和原子水平的结构可调性，是最有前途的候选材料。近年来，富氮的沸石咪唑框架（ZIFs）材料由于具有高比表面积、高孔隙率和成分易调控等优势，成为制备Fe-N-C催化剂的理想前驱体。然而，ZIF衍生得到的Fe-N-C催化剂以微孔为主，而催化剂的活性位通常位于微孔中，较小的微孔尺寸（<2nm）限制了反应底物、中间体与内部活性位的有效接触，从而严重限制了活性位的利用率。

在Fe-N-C催化剂中造孔，特别是介孔，不仅可以暴露更多的电催化活性位点，而且可以增强反应底物和催化产物在三相反应界面上的传质速率，最终提升材料的ORR性能和锌空电池性能。基于上述背景，本发明以Fe掺杂的ZIF-8为前驱体，并将其置于乙酸亚铁浸泡的泡沫镍上进行高温气相热解。乙酸亚铁高温分解产生的气体可以在产物中创造大量的介孔，避免了模板引入、去除的复杂工艺步骤。催化剂表现出优异的电催化氧还原活性和稳定性，作为锌空电池阴极，获得较高的功率密度和循环稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于锌空电池的铁氮掺杂碳电催化剂。其制备方法具体步骤为：

步骤1：将Zn(NO

步骤2：将泡沫镍浸泡至乙酸亚铁溶液中过夜，取出烘干；

步骤3：将烘干后的泡沫镍置于刚玉舟底部，并在泡沫镍上面平铺Fe掺杂ZIF-8前驱体，随后，将刚玉舟置于管式炉中央，高温气相热解得到产物Fe-N-C电催化剂。

步骤1中Zn(NO

步骤2中要将泡沫镍浸泡乙酸亚铁溶液，且乙酸亚铁溶液浓度为0.05-0.15 M。若浓度过低，不能在前驱体中产生较大的介孔，若浓度过高，孔隙率过大，多面体结构容易崩塌。

步骤3中要将Fe掺杂的ZIF-8前驱体平铺于浸泡过乙酸亚铁的泡沫镍上后在惰性气氛下，以升温速率1-5

本发明所涉及的氮掺杂碳电催化剂及制备方法具有以下显著特点：

（1）高比表面积和孔隙率（如在一些案例中可以实现1187.5 m² g

（2）电催化氧还原活性优异、稳定性好，在锌空电池空气阴极有潜在应用。

附图说明

图1实施例1中所制备Fe-N-C-1的XRD图谱。

图2实施例1中所制备Fe-N-C-1的TEM图谱。

图3 实施例1、2、3所制备样品的LSV图。

图4实施例1所制备样品的RRDE图。

图5实施例1所制备样品的i-t图。

图6实施例1所制备样品作为空气阴极组装的液态电池开路电压曲线。

图7实施例1所制备样品作为空气阴极组装的液态电池放电极化和功率密度曲线。

图8为实施例1所制备样品作为空气阴极组装的液态电池充放电循环曲线。

具体实施方式

实施例1

第一步：将6.8 g Zn(NO

图1为Fe-N-C-1样品的XRD图谱，在26°和44°附近出现了石墨化碳（002）和（101）晶面的衍射峰。其中，并未出现Fe的金属、氧化物、碳化物和氮化物对应的衍射峰，说明Fe元素在Fe-N-C-1中应是以单原子形式存在。图2为Fe-N-C-1样品的TEM图，从图中看出，其保持了ZIF-8的菱形十二面体形貌，尺寸在150 nm左右，大小均匀。不同的是，由于泡沫镍表面乙酸亚铁热分解产生的气体挥发，在菱形十二面体内部创造了大量的尺寸<10 nm的孔，这可以增大Fe-N-C-1样品的比表面积，使之暴露更多的电催化活性位点。通过BET测试，Fe-N-C-1的比表面积高达1187.5 m² g

用该样品配制好浆料，通过旋转圆盘电极（RDE）在O

图6为Fe-N-C-1作为空气阴极组装的液态锌空电池的开路电压曲线，其开路电压稳定在1.45 V左右。图7为电池的放电极化和功率密度曲线，电池的功率密度达到了184mWcm

实施例2

第一步：将6.8 g Zn(NO

将该实例下得到的Fe-N-C-2样品配成浆料，利用RDE在O

实施例3

第一步：将6.8 g Zn(NO

将该实例下得到的Fe-N-C-3样品配制好浆料，通过RDE在O

实施例4

第一步：将6.8 g Zn(NO

图5中Fe-N-C-4为该实例样品的ORR LSV曲线，从图中可以看出，在1600 rpm下，其半波电位达到了0.91 V vs. RHE，极限电流密度为5.6 mA cm

若与实施例1相比，保持实验步骤和其它药品用量不变，只将乙酸亚铁用乙酰丙酮铁替换，所得到的样品不具有明显的介孔结构。

若与实施例1相比，保持实验步骤和其它药品用量不变，只将乙酸亚铁的浓度提高至0.2M，所得到的样品的菱形十二面体形貌崩塌，不利于ORR反应过程中的传质。