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一種N,P,S/Fe共摻雜碳催化劑及其制備方法和應用

文檔序號:42323217發(fā)布日期:2025-07-01 19:39閱讀:7來源:國知局

本發(fā)明屬于電化學領域,具體涉及一種n,p,s/fe共摻雜碳催化劑及其制備方法和應用。


背景技術:

1、燃料電池是一種能夠?qū)⑷剂系幕瘜W能直接轉化成電能的裝置。與普通電池不同的是燃料電池沒有容量的限制,理論上只要持續(xù)地為燃料電池提供燃料,那它就可以源源不斷地對外輸出電能。由于在整個能量轉化過程中不經(jīng)過熱機過程,燃料電池不受卡諾循環(huán)限制,因此燃料電池一般都具有比較高的能量轉化率。然而目前為止,燃料電池并未得到大規(guī)模的商業(yè)生產(chǎn)和應用,其中一個重要制約因素就是它的陰極催化劑。當前此類催化劑主要采用貴金屬,特別是鉑基材料,由于其稀缺性、高成本、長期耐久性差和一氧化碳中毒,采用廉價且商業(yè)上容易獲得的orr材料取代貴重的鉑催化劑具有重要意義。

2、多孔碳材料由于具有良好的導電率及較高的比表面積被廣泛應用于催化劑、催化劑載體、超級電容器和鋰離子電池中。含有摻雜元素的碳,如氮(n)、硫(s)、磷(p)、硼(b)和氟(f),以及過渡金屬元素,如fe、co、ni及其金屬碳化物、氮化物、氧化物,已被證明是有希望的orr的電催化劑候選材料。當雜原子摻雜到多孔碳材料后,多孔碳材料的電荷密度增加,形成n型半導體,進而使多孔碳材料的導電性增加。雜原子在多孔碳材料結構中的引入另外也會增加多孔碳材料的缺陷位,提高催化劑的催化活性。

3、如《salt?assisted?fabrication?of?lignin-derived?fe,n,p,s?codopedporous?carbon?as?trifunctional?catalyst?for?zn-air?batteries?and?water-splitting?devices》中公開了利用次磷酸鈉(nah2po2)作為鹽模板,木質(zhì)素磺酸鈉和鐵元素的螯合物作為前驅(qū)體,制備了一種將fenx、fepx與n/p/s摻雜碳骨架相耦合的三功能催化劑(fe-n-c/fepx/npsc);又如《modulating?coordination?of?iron?atom?clusters?on?n,p,s?triply-doped?hollow?carbon?support?towards?enhanced?electrocatalytic?oxygenreduction》公開了在n,p,s三重摻雜的空心碳基體(macs/nps-hc,m=mn,fe,co,ni,cu)中構建金屬acs。但是現(xiàn)有技術公開的制備方法,均是以模板法構建前驅(qū)體、再通過煅燒碳化得到多雜原子共摻雜的催化劑材料,流程復雜、需要嚴格控制制備參數(shù),導致生產(chǎn)成本仍然較高;且需要使用大量的化學試劑,需要進行后處理以避免環(huán)境污染,進一步提升了工藝成本。

4、因此,需要提出一種制備方法簡單、成本低,且環(huán)境友好、催化性能好的多雜原子共摻雜的催化劑材料。


技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題至少其一而提供一種n,p,s/fe共摻雜碳催化劑及其制備方法和應用,以解決現(xiàn)有技術中制備方法繁雜、成本較高,使用的化學試劑較多、環(huán)境不友好的問題;本方案實現(xiàn)了一種制備方法簡單、成本低,且環(huán)境友好、催化性能好的多雜原子共摻雜的催化劑材料。

2、本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn):

3、本發(fā)明第一方面公開了一種n,p,s/fe共摻雜碳催化劑的制備方法,包括如下步驟:

4、s1:將蠶砂浸漬于鐵鹽溶液中,并混合均勻;

5、s2:將步驟s1得到的混合液烘干;

6、s3:將步驟s2烘干得到的固體產(chǎn)物熱解碳化,酸處理后洗滌并干燥,得到n,p,s/fe共摻雜碳催化劑。

7、優(yōu)選地,步驟s1中,所述的鐵鹽溶液由六水合硝酸鐵溶解于去離子水中得到。

8、優(yōu)選地,蠶砂與六水合硝酸鐵的質(zhì)量比為2~5:1~5。

9、優(yōu)選地,步驟s2中,所述的烘干為真空干燥,溫度為60~80℃,時間為12~24h。

10、優(yōu)選地,步驟s3中,所述的熱解碳化:在惰性氣氛下,升溫速率為5℃/min,碳化溫度為600~800℃,碳化時間為1~4h。

11、優(yōu)選地,步驟s3中,所述的酸處理為:將碳化的產(chǎn)物浸漬于硫酸溶液中以去除可溶性雜質(zhì)。

12、優(yōu)選地,所述的硫酸溶液的濃度為0.5~5mol·l-1;所述的浸漬的時間為4~12h。

13、優(yōu)選地,步驟s3中,所述的洗滌為:采用去離子水洗滌至殘留水的ph為中性;所述的干燥為真空干燥。

14、本發(fā)明第二方面公開了一種n,p,s/fe共摻雜碳催化劑,采用如上任一所述的方法制備得到。

15、本發(fā)明第三方面公開了一種如上所述的n,p,s/fe共摻雜碳催化劑在燃料電池中的應用。

16、本發(fā)明的工作原理為:

17、蠶砂作為一種富含異質(zhì)元素的生物質(zhì)材料,具有廉價易得,環(huán)境友好等優(yōu)點。其中豐富的雜元素氮、磷、硫可以與過渡金屬配位,形成對orr有效的活性位點。脫金屬和碳腐蝕是影響非貴金屬催化劑穩(wěn)定性的主要原因。將過渡金屬fe引入催化劑還可以催化碳基質(zhì)的石墨化,并且在金屬fe顆粒周圍形成石墨化封裝,從而保證所制備催化劑活性的穩(wěn)定性。熱解過程和酸洗過程產(chǎn)生的孔結構使得催化劑具有較大的比表面積從而暴露更多活性位點,協(xié)同部分石墨化的碳基質(zhì),所以n,p,s/fe-共摻雜碳材料能夠具有優(yōu)異的氧還原催化活性和穩(wěn)定性。

18、與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明具有以下有益效果:

19、(1)制備方法簡單:直接浸漬、烘干,煅燒后酸處理,即可得雜原子共摻雜碳材料。

20、(2)所用的蠶砂為生物質(zhì)材料,即蠶的排泄物,資源豐富,廉價易得,且具有豐富且均勻分布的天然雜原子和多孔的分級體系結構。

21、(3)所用催化劑具有分級多孔結構和高比表面積可以暴露更多的吡啶n,fe-nx,fe-px和fe-sx等多種利于orr的活性位點,從而提高催化活性。被石墨層封裝的fe納米顆粒鑲嵌在部分石墨化的多孔碳中,保證了催化劑的穩(wěn)定性。其中石墨化碳和無定形碳的共存可以協(xié)同平衡對orr過程有利的電導率和缺陷位點,從而使得所制備的催化劑:在堿性條件下具有優(yōu)異的氧還原活性,在酸性中也有一定的活性,且比商業(yè)pt/c催化劑有更優(yōu)良的穩(wěn)定性。



技術特征:

1.一種n,p,s/fe共摻雜碳催化劑的制備方法,其特征在于,包括如下步驟:

2.根據(jù)權利要求1所述的一種n,p,s/fe共摻雜碳催化劑的制備方法,其特征在于,步驟s1中,所述的鐵鹽溶液由六水合硝酸鐵溶解于去離子水中得到。

3.根據(jù)權利要求2所述的一種n,p,s/fe共摻雜碳催化劑的制備方法,其特征在于,蠶砂與六水合硝酸鐵的質(zhì)量比為2~5:1~5。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種n,p,s/fe共摻雜碳催化劑的制備方法,其特征在于,步驟s2中,所述的烘干為真空干燥,溫度為60~80℃,時間為12~24h。

5.根據(jù)權利要求1所述的一種n,p,s/fe共摻雜碳催化劑的制備方法,其特征在于,步驟s3中,所述的熱解碳化:在惰性氣氛下,升溫速率為5℃/min,碳化溫度為600~800℃,碳化時間為1~4h。

6.根據(jù)權利要求1所述的一種n,p,s/fe共摻雜碳催化劑的制備方法,其特征在于,步驟s3中,所述的酸處理為:將碳化的產(chǎn)物浸漬于硫酸溶液中以去除可溶性雜質(zhì)。

7.根據(jù)權利要求6所述的一種n,p,s/fe共摻雜碳催化劑的制備方法,其特征在于,所述的硫酸溶液的濃度為0.5~5mol·l-1;所述的浸漬的時間為4~12h。

8.根據(jù)權利要求1所述的一種n,p,s/fe共摻雜碳催化劑的制備方法,其特征在于,步驟s3中,所述的洗滌為:采用去離子水洗滌至殘留水的ph為中性;所述的干燥為真空干燥。

9.一種n,p,s/fe共摻雜碳催化劑,其特征在于,采用如權利要求1~8任一所述的方法制備得到。

10.一種如權利要求9所述的n,p,s/fe共摻雜碳催化劑在燃料電池中的應用。


技術總結
本發(fā)明屬于電化學領域,具體涉及一種N,P,S/Fe共摻雜碳催化劑及其制備方法和應用,包括如下步驟:S1:將蠶砂浸漬于鐵鹽溶液中,并混合均勻;S2:將步驟S1得到的混合液烘干;S3:將步驟S2烘干得到的固體產(chǎn)物熱解碳化,酸處理后洗滌并干燥,得到N,P,S/Fe共摻雜碳催化劑。與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明解決現(xiàn)有技術中制備方法繁雜、成本較高,使用的化學試劑較多、環(huán)境不友好的問題;本方案實現(xiàn)了一種制備方法簡單、成本低,且環(huán)境友好、催化性能好的多雜原子共摻雜的催化劑材料。

技術研發(fā)人員:張永明,劉烽,孟紅杰,宋靜楠
受保護的技術使用者:上海交通大學
技術研發(fā)日:
技術公布日:2025/6/30
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