CN110404576A - 三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料及其制备方法 - Google Patents

三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110404576A
CN110404576A CN201910728412.XA CN201910728412A CN110404576A CN 110404576 A CN110404576 A CN 110404576A CN 201910728412 A CN201910728412 A CN 201910728412A CN 110404576 A CN110404576 A CN 110404576A
Authority
CN
China
Prior art keywords
catalytic agent
preparation
agent material
nano electro
graphene
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910728412.XA
Other languages
English (en)
Inventor
赵红
于洪全
丁伟元
兰喜杰
梁占国
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Jiaotong University
Original Assignee
Dalian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Jiaotong University filed Critical Dalian Jiaotong University
Priority to CN201910728412.XA priority Critical patent/CN110404576A/zh
Publication of CN110404576A publication Critical patent/CN110404576A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J27/00Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
    • B01J27/24Nitrogen compounds
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/30Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
    • B01J35/33Electric or magnetic properties
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/60Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
    • B01J35/61Surface area

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

本发明为三维大孔‑介孔复合结构的自支撑Fe‑N‑C纳米电催化剂材料的制备方法。所述方法采用传统静电纺丝技术,以PVP(聚乙烯吡咯烷酮)或PAN(聚丙烯腈)为成纤模板,在纺丝溶液中添加高导电石墨烯或少层石墨烯和铁盐,在收集板上原位制备由聚合物基复合纳米纤维构筑的三维立体的前体材料,经过后续预氧化、碳化过程,获得由Fe‑N‑C纳米纤维构筑的大孔结构的纳米电催化剂材料。本发明方法通过前述添加的高导电石墨烯为种子,以铁盐为催化剂实现纳米纤维的二次造孔和石墨烯颗粒的外延生长,获得大孔‑介孔复合结构的自支撑Fe‑N‑C纳米电催化剂材料,避免O2、H2O等物质在低维度材料传质过程单一、局部受限的缺点。

Description

三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料 及其制备方法
技术领域
本发明属于新材料的制备方法,本发明涉及三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法。
背景技术
阴极氧还原反应(ORR)是燃料电池和金属空气电池的控速步骤,目前广泛使用铂基贵金属催化剂,其价格昂贵、资源紧缺。近年来,寻求廉价催化剂替代贵金属并提高其电催化性能受到越来越广泛的关注。以Fe-N-C为代表的非贵金属氧还原催化剂,由于其材料来源广泛,成本低廉,性能和Pt基催化剂相当甚至更优,而成为下一代氧还原催化剂的理想选择。目前公开报道的Fe-N-C催化剂,可以通过其前驱体组分、制备条件、制备工艺等的控制,实现对最终的催化剂的形貌控制,进而直接影响催化剂的活性及稳定性。
现有非贵金属碳材料ORR催化剂的研究主要集中于一维、二维结构的多孔碳材料上,但低维度结构的各向异性使O2、H2O等在传递过程中至少受一个维度上的限制,不利于其传质过程,会极大影响ORR的动力学性能。因此需要对现有Fe-N-C催化剂的结构进行改进。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明的目的是提供一种具有三维大孔/介孔结构的Fe-N-C纳米电催化剂材料及其制备方法。
为实现上述发明目的,本发明采用以下技术方案:
一种Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法,所述方法为:采用静电纺丝技术,以PVP(聚乙烯吡咯烷酮)或PAN(聚丙烯腈)为成纤模板,在纺丝溶液中添加高导电石墨烯或少层石墨烯和铁盐,在收集板上原位制备由聚合物基复合纳米纤维构筑的三维立体的前体材料,再经预氧化、碳化过程,获得由Fe-N-C纳米纤维构筑的大孔结构的纳米电催化剂材料。
进一步地,在上述技术方案中,所述高导电石墨烯或少层石墨烯电导率>103S/cm。
进一步地,在上述技术方案中,所述铁盐为硝酸铁、氯化铁或醋酸铁。
进一步地,在上述技术方案中,所述制备方法具体为:
(1)配置纺丝前驱体溶液:取高导电石墨烯或少层石墨烯和铁盐,以N-N二甲基甲酰胺或乙醇、乙酸混合液为溶剂,PVP或PAN为胶黏剂配置纺丝前驱体溶液;(2)静电纺丝:步骤(1)配置的纺丝前驱体溶液进行静电纺丝,纺丝电压为10kV~20kV左右,接收距离为10~25cm;在铝箔收集板上原位制备由聚合物基复合纤维构筑的三维网状结构的前体材料;(3)预氧化、碳化:将步骤(2)制备的前体材料在空气的氛围中预氧化处理250~350℃,预氧化处理后置于NH3的气氛中600~900℃煅烧,保温2-4小时以上,即得所需Fe-N-C纳米电催化剂材料。
优选地,在上述技术方案中,PVP为胶黏剂时溶剂为N-N二甲基甲酰胺,PAN为胶黏剂时,溶剂为乙醇、乙酸混合液。
进一步地,在上述技术方案中,所述溶剂:铁盐:石墨烯:胶黏剂加入量比为30~40ml:1g~3g:10mg~100mg:3~8g。
一种具有三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料,所述材料由上述制备方法制备得到。
本发明的有益效果:本发明以微量高导电石墨烯或少层石墨烯为添加剂,增加电纺过程中的溶液射流的导电性,获得三维立体的前体材料,在后续的预氧化、碳化过程,以前述添加的石墨烯为生长种子,以铁盐为催化剂,实现所得无机纳米纤维的二次造孔和石墨烯颗粒的外延生长,获得大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料,其宏观尺寸可达5×5×5mm3以上,富含孔径为50-100μm的大孔和众多的介孔,具有很大的比表面积和很高的孔隙率,避免O2、H2O等物质在低维度材料传质过程单一、局部受限的缺点。本发明方法得到的电催化剂材料可以取得与Pt/C相媲美的ORR性能,和良好的耐甲醇性能。
附图说明
图1实施例1中煅烧温度800℃的Fe-N-C催化剂的三维图;
图2实施例1中煅烧温度800℃的Fe-N-C催化剂的三维断面图;
图3实施例1中煅烧温度800℃的Fe-N-C催化剂的表面SEM图;
图4实施例1、实施例2和实施例3中煅烧温度800℃的Fe-N-C催化剂的吸附脱附曲线及孔径分布图;
图5实施例1中煅烧温度800℃的Fe-N-C催化剂与20%Pt/C催化剂在0.1M KOH溶液中分别在氮气及氧气饱和条件下的CV曲线(R=1600rpm);
图6实施例1、实施例2和实施例3中煅烧温度800℃的Fe-N-C催化剂与20%Pt/C催化剂在0.1M KOH溶液中的极化曲线;
图7实施例1中煅烧温度800℃的Fe-N-C催化剂与20%Pt/C催化剂在0.1M KOH溶液中的电位图(R=1600rpm)。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。实验中所用的少层石墨烯、高导电石墨烯、20%Pt/C和其他试剂均可通过商业途径购买得到。
实施例1
取少层石墨烯10mg和FeNO3 .9H2O 2g于100ml广口瓶中,以30mlN-N二甲基甲酰胺做溶剂,5g PVP为胶黏剂配置纺丝前驱体溶液。在室温为20℃,相对湿度为20的环境中进行静电纺丝,纺丝电压为18kV~20kV左右,接收距离为10~15cm,在铝箔收集板上原位制备由聚合物基复合纤维构筑的三维网状结构的前体材料。将该催化剂材料在空气的氛围中预氧化处理300℃,再将催化剂分四份分别置于NH3的气氛中分别煅烧至600℃、700℃、800℃、900℃,保温2-4小时以上,获得4份不同煅烧温度下的具有三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料。
实施例2
取高导电石墨烯100mg和Fe(NO3)3 .9H2O 2g于100ml广口瓶中,以40ml N-N二甲基甲酰胺做溶剂,6g PVP为胶黏剂配置纺丝前驱体溶液。在室温为20℃,相对湿度为20的环境中进行静电纺丝,纺丝电压为18kV~20kV左右,接收距离为10~15cm,在铝箔收集板上原位制备由聚合物基复合纤维构筑的三维网状结构的前体材料。将该催化剂材料在空气的氛围中预氧化处理300℃,再将催化剂置于NH3的气氛中分别煅烧至600℃、700℃、800℃、900℃,保温2-4小时以上,获得具有三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料。
实施例3
取高导电石墨烯50mg和2g FeCl3于100ml广口瓶中,以乙醇和乙酸的混合溶剂40ml,6g PAN为胶黏剂配置纺丝前驱体溶液。在室温为20℃,相对湿度为20%的环境中进行静电纺丝,纺丝电压为18kV~20kV左右,接收距离为10~15cm,在铝箔收集板上原位制备由聚合物基复合纤维构筑的三维网状结构的前体材料。将该催化剂材料在空气的氛围中预氧化处理300℃,再将催化剂置于NH3的气氛中分别煅烧至600℃、700℃、800℃、900℃,保温2-4小时以上,获得具有三维大孔/介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料。
本发明提供的具有三维大孔/介孔结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法,由Fe-N-C纳米纤维构筑成自支撑的三维大孔结构的纳米催化剂材料,且Fe-N-C纳米纤维上拥有众多的介孔,这种大孔-介孔复合结构具有很大的比表面积和很高的孔隙率、以及较为规则的孔道结构,可以提供较多的反应位点且不容易被反应产物堵塞,可为多种气体提供很大的吸附表面,并能减小气体在催化剂材料内部的通行阻力,可在质子交换膜燃料电池、锂空气电池、气体传感器、新型催化等领域有重要的应用价值。
对于任何熟悉本领域的技术人员而言,在不脱离本发明技术方案范围情况下,都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法,其特征在于,所述方法为:采用静电纺丝技术,以PVP或PAN为成纤模板,在纺丝溶液中添加高导电石墨烯或少层石墨烯和铁盐,在收集板上原位制备由聚合物基复合纳米纤维构筑的三维立体的前体材料,再经预氧化、碳化过程,获得由Fe-N-C纳米纤维构筑的大孔结构的纳米电催化剂材料。
2.根据权利要求1所述的一种Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法,其特征在于,所述高导电石墨烯或少层石墨烯的电导率>103S/cm。
3.根据权利要求1所述的一种Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法,其特征在于,所述铁盐为硝酸铁、氯化铁或醋酸铁。
4.根据权利要求1所述的一种Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法具体为:
(1)配置纺丝前驱体溶液:取高导电石墨烯或少层石墨烯和铁盐,以N-N二甲基甲酰胺或乙醇、乙酸混合液为溶剂,PVP或PAN为胶黏剂配置纺丝前驱体溶液;
(2)静电纺丝:步骤(1)配置的纺丝前驱体溶液进行静电纺丝,纺丝电压为10kV~25kV左右,接收距离为10~25cm;在铝箔收集板上原位制备由聚合物基复合纤维构筑的三维网状结构的前体材料;
(3)预氧化、碳化:将步骤(2)制备的前体材料在空气的氛围中预氧化处理250~350℃,预氧化处理后置于NH3的气氛中600~900℃煅烧,保温2-4小时以上,即得所需Fe-N-C纳米电催化剂材料。
5.根据权利要求4所述的一种Fe-N-C纳米电催化剂材料的制备方法,其特征在于,所述溶剂:铁盐:石墨烯:胶黏剂加入量比为30~40ml:1g~3g:10mg~100mg:3~8g。
6.一种具有三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料,其特征在于,所述材料由权利要求1~5任一项所述的制备方法制备得到。
CN201910728412.XA 2019-08-08 2019-08-08 三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料及其制备方法 Pending CN110404576A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910728412.XA CN110404576A (zh) 2019-08-08 2019-08-08 三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910728412.XA CN110404576A (zh) 2019-08-08 2019-08-08 三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110404576A true CN110404576A (zh) 2019-11-05

Family

ID=68366438

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910728412.XA Pending CN110404576A (zh) 2019-08-08 2019-08-08 三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110404576A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110694668A (zh) * 2019-11-08 2020-01-17 大连交通大学 一种分层介孔-纳米碳管网状结构催化剂材料及其制备方法
CN113054202A (zh) * 2021-03-12 2021-06-29 中南大学 一种自掺氮载钯多孔复合结构氧还原催化剂及其制备方法和应用
CN113754020A (zh) * 2020-06-02 2021-12-07 中国科学院城市环境研究所 一种吸附增强电Fenton阴极材料及其制备方法
CN114192174A (zh) * 2021-12-14 2022-03-18 安徽大学绿色产业创新研究院 一种静电纺丝制备金属-氮分子/石墨烯/碳纳米纤维复合材料的方法及其应用
CN115487800A (zh) * 2022-09-16 2022-12-20 四川大学 具有稳定大孔结构的CeO2-ZrO2催化材料及其制备方法和应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105148892A (zh) * 2015-08-24 2015-12-16 中国人民解放军国防科学技术大学 石墨烯/碳纳米管/碳纳米纤维电催化剂及其制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105148892A (zh) * 2015-08-24 2015-12-16 中国人民解放军国防科学技术大学 石墨烯/碳纳米管/碳纳米纤维电催化剂及其制备方法

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BING LI,ET AL.: "Fe-N4 complex embedded free-standing carbon fabric catalysts for higher performance ORR both in alkaline & acidic media", 《NANO ENERGY》 *
JING YIN,ET AL.: "Onion-like graphitic nanoshell structured Fe-N/C nanofibers derived from electrospinning for oxygen reduction reaction in acid media", 《ELECTROCHEMISTRY COMMUNICATIONS》 *
QIN LIU,ET AL.: "Trimetallic FeCoNi–N/C nanofibers with high electrocatalytic activity for oxygen reduction reaction in sulfuric acid solution", 《JOURNAL OF ELECTROANALYTICAL CHEMISTRY》 *
WENXIU YANG,ET AL.: "Dual-doped carbon composite for efficient oxygen reduction via electrospinning and incipient impregnation", 《JOURNAL OF POWER SOURCES》 *
YI-PINGCHEN,ET AL.: "Electrospun spongy zero-valent iron as excellent electro-Fenton catalyst for enhanced sulfathiazole removal by a combination of adsorption and electro-catalytic oxidation", 《JOURNAL OF HAZARDOUS MATERIALS》 *
王中伟: "电纺纳米碳纤维及其电催化性能的研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)工程科技Ⅰ辑》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110694668A (zh) * 2019-11-08 2020-01-17 大连交通大学 一种分层介孔-纳米碳管网状结构催化剂材料及其制备方法
CN113754020A (zh) * 2020-06-02 2021-12-07 中国科学院城市环境研究所 一种吸附增强电Fenton阴极材料及其制备方法
CN113054202A (zh) * 2021-03-12 2021-06-29 中南大学 一种自掺氮载钯多孔复合结构氧还原催化剂及其制备方法和应用
CN114192174A (zh) * 2021-12-14 2022-03-18 安徽大学绿色产业创新研究院 一种静电纺丝制备金属-氮分子/石墨烯/碳纳米纤维复合材料的方法及其应用
CN114192174B (zh) * 2021-12-14 2023-12-05 安徽大学绿色产业创新研究院 一种静电纺丝制备金属-氮分子/石墨烯/碳纳米纤维复合材料的方法及其应用
CN115487800A (zh) * 2022-09-16 2022-12-20 四川大学 具有稳定大孔结构的CeO2-ZrO2催化材料及其制备方法和应用
CN115487800B (zh) * 2022-09-16 2023-11-14 四川大学 具有稳定大孔结构的CeO2-ZrO2催化材料及其制备方法和应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110404576A (zh) 三维大孔-介孔复合结构的自支撑Fe-N-C纳米电催化剂材料及其制备方法
Niu et al. Bimetal-organic frameworks/polymer core-shell nanofibers derived heteroatom-doped carbon materials as electrocatalysts for oxygen reduction reaction
Zhang et al. Electrospun metal-organic framework nanoparticle fibers and their derived electrocatalysts for oxygen reduction reaction
Ye et al. Cage-confinement of gas-phase ferrocene in zeolitic imidazolate frameworks to synthesize high-loading and atomically dispersed Fe–N codoped carbon for efficient oxygen reduction reaction
Hua et al. Efficient Pt-free electrocatalyst for oxygen reduction reaction: Highly ordered mesoporous N and S co-doped carbon with saccharin as single-source molecular precursor
Liu et al. Controllable synthesis of functional hollow carbon nanostructures with dopamine as precursor for supercapacitors
CN109012164B (zh) 一种可常温分解甲醛的纳米纤维膜材料及其制备方法和应用
CN102021677B (zh) 含过渡金属与氮元素的碳纳米纤维的制备方法及其在燃料电池催化剂中的应用
Li et al. Facile synthesis of electrospun MFe 2 O 4 (M= Co, Ni, Cu, Mn) spinel nanofibers with excellent electrocatalytic properties for oxygen evolution and hydrogen peroxide reduction
KR101969547B1 (ko) 전이금속과 질소가 도핑된 다공성 탄소 나노섬유를 포함하는 산소환원반응 촉매 및 이의 제조방법
CN108579788B (zh) 一种复合型钴钒氮化物纳米线电催化剂及其制备方法和应用
Wu et al. Ordered mesoporous platinum@ graphitic carbon embedded nanophase as a highly active, stable, and methanol-tolerant oxygen reduction electrocatalyst
Liu et al. High-performance doped carbon catalyst derived from nori biomass with melamine promoter
JP6198810B2 (ja) 触媒担体用炭素材料
Wang et al. Co-gelation synthesis of porous graphitic carbons with high surface area and their applications
Wang et al. Biomass-derived porous heteroatom-doped carbon spheres as a high-performance catalyst for the oxygen reduction reaction
Bo et al. NiCo2O4 spinel/ordered mesoporous carbons as noble-metal free electrocatalysts for oxygen reduction reaction and the influence of structure of catalyst support on the electrochemical activity of NiCo2O4
Wang et al. A Template‐Free Method for Preparation of Cobalt Nanoparticles Embedded in N‐Doped Carbon Nanofibers with a Hierarchical Pore Structure for Oxygen Reduction
CN110504431B (zh) 一种二硫化钼/石墨烯/碳复合材料及其应用
Ma et al. MOF-derived N-doped carbon coated CoP/carbon nanotube Pt-based catalyst for efficient methanol oxidation
CN107425204B (zh) 氮磷共掺杂多孔碳的制备方法及其应用
Ju et al. Fe@ N‐Graphene Nanoplatelet‐Embedded Carbon Nanofibers as Efficient Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction
Ma et al. Post iron-doping of activated nitrogen-doped carbon spheres as a high-activity oxygen reduction electrocatalyst
Tian et al. A humidity‐induced nontemplating route toward hierarchical porous carbon fiber hybrid for efficient bifunctional oxygen catalysis
CN106829924A (zh) 一种一维多孔碳纳米管的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20191105

RJ01 Rejection of invention patent application after publication