一种Fe-N-C氧还原电催化剂及其制备方法和电极材料与流程

本发明属于电极材料的技术领域；具体涉及一种fe-n-c氧还原电催化剂及其制备方法和电极材料。

背景技术：

随着工业多方面迅速发展，能源问题受到广泛关注；尤其，随着环境的日益恶化，寻求可持续发展的、无污染能源的开发利用成为未来经济发展的决定因素。近来，燃料电池、金属-空气电池等可循环利用的动力资源的研究不断进步，应用领域不断扩大。

通常来说，20％的铂碳作为氧还原电催化剂用于组装各种电池，包括燃料电池和金属-空气电池等，但是铂碳这种贵金属催化剂成本高、稀缺性大、长期耐久性差、功能单一，阻碍了其大规模的实际应用。设计和开发高效的非贵金属电催化剂仍然是一个巨大的挑战。

技术实现要素：

本发明提供了一种fe-n-c氧还原电催化剂及其制备方法和电极材料。本发明提供的fe-n-c氧还原电催化剂，不仅具有优异的氧还原性能、降低了制备成本，还可以提金属-空气电池的功率密度和稳定性。

本发明中一种fe-n-c氧还原电催化剂是将碳源加到过渡金属前驱体溶液中，经过蒸干、氮气气氛下结晶化、酸化处理后焙烧而成的；其中，过渡金属前驱体溶液是有铁源、锌源和溶剂配置而成；具体是通过下述步骤完成的：

步骤一、将碳源加到过渡金属前驱体溶液中，搅拌均匀，蒸干；

步骤二、然后在氮气气氛下结晶化处理，酸化处理；

步骤三、在氮气或氩气气氛下焙烧，得到fe-n-c氧还原电催化剂。

进一步地限定，所述碳源为甲壳素、壳聚糖或二氰二氨。

进一步地限定，过渡金属前驱体溶液，所述铁源为硝酸铁或氯化铁。

进一步地限定，所述锌源为乙酸锌、硝酸锌、氯化锌。

进一步地限定，所述溶剂为水。

进一步地限定，过渡金属前驱体溶液中铁源和锌源的质量比为1:(1～10)，优选为1:(3～7)。

进一步地限定，铁源和锌源总质量与溶剂的质量比为1:(40～120)。

进一步地限定，碳源的质量和铁源和锌源总质量之比为1:(1～10)，优选为1:(2～8)，更优选为1:(4～6)。

进一步地限定，步骤一中在80℃～85℃下蒸干。

进一步地限定，步骤二中结晶化处理温度为700℃-900℃，时间为1h～4h；结晶化处理温度优选为750℃～950℃，更优选为800℃～900℃；结晶化处理时间优选为1.5h～3h，更优选为2h～2.5h。

进一步地限定，步骤二中用稀盐酸或稀硝酸进行酸化处理，酸处理时间为8h～20h，优选为10h～15h，更优选为12h～14h。酸化处理在除掉初步碳化聚集的金属粒子；并且可以提高fe-n-c电催化剂的比表面积。

进一步地限定，步骤三中焙烧温度1000℃～1300℃，优选为1100℃～1200℃；焙烧时间为1～3h，优选为1.2～2h，更优选为1.5h。酸化后焙烧进一步提高石墨化程度。

一种电极材料是由上述fe-n-c氧还原电催化剂与粘结剂、分散剂混合后经超声分散，均匀涂到碳布上晾干而制得的，具有良好的氧还原性能。本发明对所述粘结剂和导电碳布采用市售商品即可。在本发明中，所述粘结剂可选用质量浓度为5％的萘酚；分散剂选用无水乙醇。

在本发明中，所述碳源优选为甲壳素、壳聚糖，为一种生物质原料，原料成本低且易得。

本发明提供了一种fe-n-c氧还原电催化剂的制备方法；本发明通过采用fe-n-c电催化剂代替商业的铂碳催化剂。本发明提供的fe-n-c催化剂制备得到的电极材料具有优异的性能。

本发明在燃料电池和金属-空气电池中的应用。

附图说明

图1是5ma/cm²下的恒电流充-放电曲线；

图2是10ma/cm²下的恒电流充-放电曲线。

具体实施方式

实施例1：本实施例中fe-n-c氧还原电催化剂的制备方法是通过下述步骤完成的：

步骤一、将0.6g硝酸铁和1.8g乙酸锌溶于120ml水中，搅拌至完全溶解，然后加入0.8g甲壳素，搅拌均匀，在80℃条件下蒸干；

步骤二、然后在氮气气氛、700℃下结晶化处理3h，用2m盐酸酸化处理12h；

步骤三、在氮气气氛、1000℃下焙烧1.5h，得到fe-n-c电催化剂；对其进行氧还原性能的测试，半波电位达到0.84v，起始电位0.95v。

将实施例1得到的fe-n-c电催化剂、粘结剂5％的萘酚和分散剂无水乙醇按照100:10000:1的质量比混合后，经超声分散，均匀涂在碳布上，晾干得到锌-空气电极的阴极材料；然后用于组装锌-空气电池，电流密度一定的情况下，测试得到锌-空气电池的充放电曲线。电极材料中fe-n-c催化剂的负载量相同条件下，测试不同电流密度下电极材料的电池性能；每个条件下测试三次取平均值。测试结果如图1、图2和表1所示。

表1fe-n-c电催化剂的电极材料在不同电流密度下的测试情况

对比例1

采用商业铂碳替换实施例1的fe-n-c电催化剂制备电极材料，组装锌-空气电池电池，测试其电池性能，测试结果如表2所示。

表220％铂碳的电极材料在不同电流密度下的测试情况

由表1和2对比可以看出本发明制备的fe-n-c电催化剂能够提高锌-空气电池的性能，这主要是因为fe-n-c催化剂具有优异的氧还原性能(半波电位达到0.84)优于铂碳(半波电位0.83)，并且能够看出稳定性得到的提高；使其在锌-空气电池中具有一定的应用价值。

实施例2本实施例中fe-n-c氧还原电催化剂的制备方法是通过下述步骤完成的：

步骤一、将0.6g硝酸铁和2.1g乙酸锌溶于120ml水中，搅拌至完全溶解，然后加入0.8g甲壳素，搅拌均匀，在85℃条件下蒸干；

步骤二、然后在氮气气氛、800℃下结晶化处理3h，用2m盐酸酸化处理20h；

步骤三、在氮气气氛、1100℃下焙烧1h，得到fe-n-c氧还原电催化剂；对其进行氧还原性能的测试，半波电位达到0.837v，起始电位0.945v。