CN113845104B - 氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂、其制备方法及应用 - Google Patents
氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂、其制备方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂、其制备方法及应用，本发明氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂，以氮掺杂碳纳米片为载体，以氧化亚铁量子点作为氧还原电催化剂颗粒。本发明选择简单易得的六水合三氯化铁为铁源，氮掺杂剂采用尿素，硫脲，三聚氰胺等高富含氮化合物，以类石墨烯碳纳米片为碳源，通过冷冻干燥和热解过程得到量子点级别的氧化铁基的氮掺杂碳纳米片，该材料具有优异的电化学氧还原性能。本发明合成：制作方法简单，成本低廉，适合工程放大和规模化制备；高氮源和过渡金属铁的共掺杂，可有效提高该材料的电催化活性，在氮掺杂碳纳米片电催化的制备领域具有重要的意义和价值。
Description
技术领域
本发明涉及多孔碳材料制备及电化学催化领域，具体指一种氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片氧还原电催化剂的制备方法。
背景技术
催化剂材料在多数的电化学能源转化装置中都发挥着至关重要的作用，大气中无处不在的氧气是一类常见的氧化剂，因此氧还原反应(oxygen reduction reaction，ORR)在能源设备中的应用极为广泛，如燃料电池、金属-空气电池等，因此，ORR催化剂在提高燃料电池和空气电池的阴极反应性能上发挥了关键作用。目前，用于ORR的最有效电催化剂是铂(Pt)和基于铂的材料，然而，高成本、较差的耐受性和不稳定性阻碍了它们的大规模商业化应用。因此，在实际应用中，人们为开发用于ORR的高效经济的非贵金属电催化剂以替代铂基催化剂做出了很大的努力。因此，开发一种保持甚至提高电化学活性、成本低廉、易于实现、稳定性优异的高效的氧还原催化剂成为急需解决的技术问题。
金属氮化物作为一种常见的金属间隙化合物，由于自身特殊的电子结构和类金属性质，具有优异的电子传导能力。其耐腐蚀性、热稳定性与电化学稳定性都使得该类材料在电化学催化领域中具有极大的应用潜力。金属-N/C类催化剂材料尤其是在近年来得到广泛关注，被认为是最有希望替代贵金属的催化剂材料。但是这类相关材料的合成成本高、不稳定易失活及活性位点少的问题始终困扰着其实际应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于解决氮掺杂碳纳米片材料在氧还原催化反应领域应用的问题，提供一种氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂、其制备方法及应用，适合应用于氧还原反应，其制备方法简单，成本低廉，可以适用于大规模的商业生产，有望在电催化氧还原领域取代铂碳催化剂。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：
本发明采用的反应机理为：
通过聚合物包封和热解过程，以六水合三氯化铁为铁源，尿素为氮源，类石墨烯碳纳米片为碳源，在中性环境下，六水合三氯化铁和氮掺杂碳纳米片搅拌混合，冷冻干燥后，进一步高温热解后形成氧化亚铁基氮掺杂碳纳米片。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂，以氮掺杂碳纳米片为载体，以氧化亚铁量子点作为氧还原电催化剂颗粒。
优选地，氧化亚铁量子点颗粒直径为1-4nm。
进一步优选地，氧化亚铁量子点颗粒平均直径为2.5±0.2nm。
优选地，氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的氧还原性能的起始电位不低于1.06V；半波电位不低于0.94V；极限电流密度不低于5.3mA cm-2。
一种本发明氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)氮掺杂碳纳米材料粗产物制备：
以类石墨烯碳纳米片为碳源，以氮掺杂剂为氮源；按质量比计算，将1-5份的类石墨烯碳纳米片，5-10份氮掺杂剂混合，将得到的混合固体置于管式炉中在氮气气氛下进行高温活化处理，设定所述高温活化反应的反应温度为500-1100℃，控制升温速率2-8℃/min，反应时间为1-3h；在反应完成后，将产物浸入质量百分比为3-10wt.％的盐酸溶液中进行产物洗涤处理，并通过过滤收集所得固体产物，再用去离子水洗涤并干燥，得到洁净的产物；
(2)氮掺杂碳纳米材料产物分散液制备：
按体积比计算，将1-5份的异丙醇和1-5份的去离子水混合，得到混合溶液，将在所述步骤(1)中得到的产物加到混合溶液中，然后超声分散，得到产物分散液；
(3)氮掺杂碳纳米片的制备：
将在所述步骤(2)中得到的产物分散液用细胞破碎机进行超声处理5-12h，然后以1000-5000rpm的转速离心5-10min，再将上层清液继续超声2-5h，再以10000-20000rpm离心10-30min，获得所需要的固体，然后干燥得到氮掺杂碳纳米片；
(4)氮掺杂碳纳米片溶液制备：
将50-80mg在所述步骤(3)中得到的氮掺杂碳纳米片固体溶解在10-30mL去离子水中，均匀混合，得到氮掺杂碳纳米片溶液；
(5)铁源溶液制备：
以六水合三氯化铁为铁源，将六水合氯化铁固体分散在去离子水中，配成浓度为1-10mg/mL的铁源溶液；
(6)FeO基的氮掺杂碳纳米片制备：
将在所述步骤(5)中得到的铁源溶液慢慢滴加到在所述步骤(4)中得到氮掺杂碳纳米片溶液中，在滴加铁源溶液过程中使氮掺杂碳纳米片溶液处于连续的超声状态，在滴加2-5mL 的铁源溶液后，在冰浴下继续对氮掺杂碳纳米片溶液超声2-5h，将超声好的混合溶液冷冻干燥36-54h，然后将冷冻干燥后的固体材料置于管式炉中，在氮气气氛下进行高温活化，所述高温活化反应的反应温度为500-1100℃，控制升温速率2-8℃/min，反应时间为1-3h，在反应完成后，将得到的最终产物用去离子水和乙醇分别洗涤3-5次，然后过滤收集所得固体，最后得到黑色粉末状的具有量子点级别的FeO基的氮掺杂碳纳米片。
优选地，在所述步骤(1)或所述步骤(6)中，高温碳化温度为850-1000℃，控制升温速率5-8℃/min，反应时间为2-3h。
优选地，在所述步骤(1)，氮掺杂剂采用尿素、硫脲和三聚氰胺中的至少一种氮源材料。
优选地，在所述步骤(6)中，滴加铁源溶液的用量不低于按照六水氯化铁和氮掺杂碳纳米片的混合质量比为1：100的比例计算的铁源溶液用量。
优选地，在所述步骤(6)中，在中性环境下，将六水合三氯化铁和氮掺杂碳纳米片进行搅拌混合。
一种本发明氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的应用，将氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂作为电催化氧还原反应的催化剂使用。
优选地，氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂在使用35000s后保持相对电流不低于91.7％，其在抗甲醇测试中在2000s后保持相对电流不低于89.5％。
本发明制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片氧还原电催化剂在氧还原方面的应用即在氧饱和的0.1M KOH溶液中测量材料的循环伏安曲线、线性扫描伏安曲线及计时电流曲线，表现出较为优异的电催化性能。
与现有技术相比，本发明具有显而易见的突出的实质性特点和显著的优点：
1.本发明通过一步热解法得到一种氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片，其氧化亚铁纳米颗粒，平均粒径为2.5±0.2nm；
2.本发明该种氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片具有较为优异的氧还原性能，起始电位能达到：1.06V；半波电位0.94V；极限电流密度：5.3mA cm-2；
3.本发明氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片具有较为优异稳定性和抗甲醇能力，铁和氮协同调控缺陷带来明显地电子结构改变，可以极大地增加稳定性和抗羟基毒化的能力，活性点位多，使用寿命长，稳定性更好；
4.本发明极少量的过渡金属铁可进一步减少催化剂应用成本；
5.本发明氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片形状均一，分布均匀；氧化亚铁量子点直径约为1-4nm；
6.本发明材料制备方法简单、快速，且原料利用率高，具有环境友好型特征。
附图说明
图1为本发明的实施例一制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片的透射电镜图片。
图2为本发明实施例一制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片在氧饱和的浓度为 0.1M的KOH溶液中的循环伏安曲线。
图3为本发明实施例一制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片在氧饱和的浓度为 0.1M的KOH溶液中的线性扫描伏安曲线。
图4为本发明实施例一制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片在氧饱和的浓度为 0.1M的KOH溶液中的旋转圆盘电极扫描曲线。旋转圆盘电极扫描速度为400rpm-2500rpm。
图5为本发明实施例一制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片和商业铂碳稳定性比较图。
图6为本发明实施例一制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片和商业铂碳的抗甲醇测试对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
实施例一
在本实施例中，一种氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂，以氮掺杂碳纳米片为载体，以氧化亚铁量子点作为氧还原电催化剂颗粒。
在本实施例中，一种氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)氮掺杂碳纳米材料粗产物制备：
以类石墨烯碳纳米片为碳源，以尿素为氮源；按质量比计算，将1份的类石墨烯碳纳米片，7份尿素混合，将得到的混合固体置于管式炉中在氮气气氛下进行高温活化处理，设定所述高温活化反应的反应温度为850℃，控制升温速率5℃/min，反应时间为2h；在反应完成后，将产物浸入质量百分比浓度为7wt.％的盐酸溶液中进行产物洗涤处理，并通过过滤收集所得固体产物，再用去离子水洗涤并干燥，得到洁净的产物；
(2)氮掺杂碳纳米材料产物分散液制备：
按体积比计算，将1份的异丙醇和3份的去离子水混合，得到混合溶液，将在所述步骤(1)中得到的产物加到混合溶液中，然后超声分散，得到产物分散液；
(3)氮掺杂碳纳米片的制备：
将在所述步骤(2)中得到的产物分散液用细胞破碎机进行超声处理6h，然后以3000rpm 的转速离心10min，再将上层清液继续超声3h，再以18000rpm离心10min，获得所需要的固体，然后干燥得到氮掺杂碳纳米片；
(4)氮掺杂碳纳米片溶液制备：
将50mg在所述步骤(3)中得到的氮掺杂碳纳米片固体溶解在10mL去离子水中，均匀混合，得到氮掺杂碳纳米片溶液；
(5)铁源溶液制备：
以六水合三氯化铁为铁源，将六水合氯化铁固体分散在去离子水中，配成浓度为1mg/mL 的铁源溶液；
(6)FeO基的氮掺杂碳纳米片制备：
将在所述步骤(5)中得到的铁源溶液慢慢滴加到在所述步骤(4)中得到氮掺杂碳纳米片溶液中，在滴加铁源溶液过程中使氮掺杂碳纳米片溶液处于连续的超声状态，在滴加2mL 的5mg/mL的铁源溶液后，在冰浴下继续对氮掺杂碳纳米片溶液超声2h，滴加铁源溶液的用量为按照六水氯化铁和氮掺杂碳纳米片的混合质量比为1：100的比例计算的铁源溶液用量，将超声好的混合溶液冷冻干燥48h，然后将冷冻干燥后的固体材料置于管式炉中，在氮气气氛下进行高温活化，所述高温活化反应的反应温度为1000℃，控制升温速率5℃/min，反应时间为2h，在反应完成后，将得到的最终产物用去离子水和乙醇分别洗涤3次，然后过滤收集所得固体，最后得到黑色粉末状的具有量子点级别的FeO基的氮掺杂碳纳米片。
在本实施例中，氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的应用，将氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂作为电催化氧还原反应的催化剂使用。
实验测试分析：
氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片氧还原性能测试
将本实施例制得的材料作为氧还原催化剂应用，其性能测试方法如下：
将一定质量制得的材料分散在一定比例的去离子水、异丙醇和5％Nafion溶液中，超声 1h形成均匀油墨，将其滴在玻碳电极上，然后在空气中干燥制成电极，以该电极为工作电极，以石墨棒为对电极，以Ag/AgCl为参比电极，0.1M KOH为电解液，组装制成氧还原催化剂的测试装置。
本实施例制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片的透射电镜图片如图1所示，能看到清晰并且均匀分布的FeO纳米颗粒，平均直径为2.5nm，图2-4为实施例一制得的FeO基氮掺杂碳纳米片的氧还原数据，其数据表现出较为优异的氧还原正向性能，且有明显的4e- 还原路径；图5为实施例一制得的FeO基氮掺杂碳纳米片10h的稳定性数据，实施例一制得的FeO基氮掺杂碳纳米片作为氧还原电催化剂在使用35000s后保持相对电流不低于91.7％。图6为实施例一制得的FeO基氮掺杂碳纳米片与20％Pt/C相比的对比图，实施例一制得的FeO 基氮掺杂碳纳米片作为氧还原电催化剂在抗甲醇测试中在2000s后保持相对电流不低于 89.5％。实施例一制得的FeO基氮掺杂碳纳米片有着优异的稳定性，并且其抗甲醇性能稳定。总之，量子点级别的氧化铁基的氮掺杂碳纳米片具有优异的氧还原电化学性能。
本实施例氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片采用的工程策略，通过冷冻干燥后，一步热解合成了一种具量子点级别的氧化亚铁基的氮掺杂碳纳米片，充分利用过渡金属铁及氮掺杂的协同作用以调节碳基质缺陷，氮与铁之间的强相互作用既可以极大地增加稳定性，又能带来明显的电子结构改变，提高电化学活性。本实施例催化剂价格低廉、来源广泛，稳定性强，服役长寿命，可用于催化氧还原反应，在能源领域具有重要意义。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)氮掺杂碳纳米材料粗产物制备：
以类石墨烯碳纳米片为碳源，以尿素为氮源；按质量比计算，将5份的类石墨烯碳纳米片，5份尿素混合，将得到的混合固体置于管式炉中在氮气气氛下进行高温活化处理，设定所述高温活化反应的反应温度为500℃，控制升温速率2℃/min，反应时间为3h；在反应完成后，将产物浸入质量百分比浓度为3wt.％的盐酸溶液中进行产物洗涤处理，并通过过滤收集所得固体产物，再用去离子水洗涤并干燥，得到洁净的产物；
(2)氮掺杂碳纳米材料产物分散液制备：
按体积比计算，将1份的异丙醇和5份的去离子水混合，得到混合溶液，将在所述步骤 (1)中得到的产物加到混合溶液中，然后超声分散，得到产物分散液；
(3)氮掺杂碳纳米片的制备：
将在所述步骤(2)中得到的产物分散液用细胞破碎机进行超声处理12h，然后以1000rpm 的转速离心10min，再将上层清液继续超声5h，再以10000rpm离心30min，获得所需要的固体，然后干燥得到氮掺杂碳纳米片；
(4)氮掺杂碳纳米片溶液制备：
将80mg在所述步骤(3)中得到的氮掺杂碳纳米片固体溶解在30mL去离子水中，均匀混合，得到氮掺杂碳纳米片溶液；
(5)铁源溶液制备：
以六水合三氯化铁为铁源，将六水合氯化铁固体分散在去离子水中，配成浓度为3mg/mL 的铁源溶液；
(6)FeO基的氮掺杂碳纳米片制备：
将在所述步骤(5)中得到的铁源溶液慢慢滴加到在所述步骤(4)中得到氮掺杂碳纳米片溶液中，在滴加铁源溶液过程中使氮掺杂碳纳米片溶液处于连续的超声状态，在滴加2mL 的6mg/mL铁源溶液后，在冰浴下继续对氮掺杂碳纳米片溶液超声5h，滴加铁源溶液的用量为按照六水氯化铁和氮掺杂碳纳米片的混合质量比为1：100的比例计算的铁源溶液用量，将超声好的混合溶液冷冻干燥54h，然后将冷冻干燥后的固体材料置于管式炉中，在氮气气氛下进行高温活化，所述高温活化反应的反应温度为500℃，控制升温速率2℃/min，反应时间为3h，在反应完成后，将得到的最终产物用去离子水和乙醇分别洗涤5次，然后过滤收集所得固体，最后得到黑色粉末状的具有量子点级别的FeO基的氮掺杂碳纳米片。
本实施例制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片的FeO纳米颗粒均匀分布，平均直径为2.5nm，本实施例制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片具有优异的氧还原正向性能，且有明显的4e-还原路径；本实施例制得的FeO基氮掺杂碳纳米片作为氧还原电催化剂在使用35000s后保持相对电流不低于88.2％。本实施例制得的FeO基氮掺杂碳纳米片作为氧还原电催化剂在抗甲醇测试中在2000s后保持相对电流不低于86.2％。本实施例制得的FeO 基氮掺杂碳纳米片有着优异的稳定性，并且其抗甲醇性能稳定。总之，量子点级别的氧化铁基的氮掺杂碳纳米片具有优异的氧还原电化学性能。
实施例三
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)氮掺杂碳纳米材料粗产物制备：
以类石墨烯碳纳米片为碳源，以尿素为氮源；按质量比计算，将5份的类石墨烯碳纳米片，10份尿素混合，将得到的混合固体置于管式炉中在氮气气氛下进行高温活化处理，设定所述高温活化反应的反应温度为1100℃，控制升温速率8℃/min，反应时间为1h；在反应完成后，将产物浸入质量百分比浓度为5wt.％的盐酸溶液中进行产物洗涤处理，并通过过滤收集所得固体产物，再用去离子水洗涤并干燥，得到洁净的产物；
(2)氮掺杂碳纳米材料产物分散液制备：
按体积比计算，将5份的异丙醇和1份的去离子水混合，得到混合溶液，将在所述步骤 (1)中得到的产物加到混合溶液中，然后超声分散，得到产物分散液；
(3)氮掺杂碳纳米片的制备：
将在所述步骤(2)中得到的产物分散液用细胞破碎机进行超声处理5h，然后以5000rpm 的转速离心5min，再将上层清液继续超声2h，再以20000rpm离心10min，获得所需要的固体，然后干燥得到氮掺杂碳纳米片；
(4)氮掺杂碳纳米片溶液制备：
将50mg在所述步骤(3)中得到的氮掺杂碳纳米片固体溶解在10mL去离子水中，均匀混合，得到氮掺杂碳纳米片溶液；
(5)铁源溶液制备：
以六水合三氯化铁为铁源，将六水合氯化铁固体分散在去离子水中，配成浓度为1mg/mL 的铁源溶液；
(6)FeO基的氮掺杂碳纳米片制备：
将在所述步骤(5)中得到的铁源溶液慢慢滴加到在所述步骤(4)中得到氮掺杂碳纳米片溶液中，在滴加铁源溶液过程中使氮掺杂碳纳米片溶液处于连续的超声状态，在滴加3mL 的8mg/mL铁源溶液后，在冰浴下继续对氮掺杂碳纳米片溶液超声2h，滴加铁源溶液的用量为按照六水氯化铁和氮掺杂碳纳米片的混合质量比为1：100的比例计算的铁源溶液用量，将超声好的混合溶液冷冻干燥36h，然后将冷冻干燥后的固体材料置于管式炉中，在氮气气氛下进行高温活化，设定所述高温活化反应的反应温度为1100℃，控制升温速率8℃/min，反应时间为1h，在反应完成后，将得到的最终产物用去离子水和乙醇分别洗涤5次，然后过滤收集所得固体，最后得到黑色粉末状的具有量子点级别的FeO基的氮掺杂碳纳米片。
本实施例制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片的FeO纳米颗粒均匀分布，平均直径为2.5nm，本实施例制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片具有优异的氧还原正向性能，且有明显的4e-还原路径；本实施例制得的FeO基氮掺杂碳纳米片作为氧还原电催化剂在使用35000s后保持相对电流不低于90.2％。本实施例制得的FeO基氮掺杂碳纳米片作为氧还原电催化剂在抗甲醇测试中在2000s后保持相对电流不低于87.4％。本实施例制得的FeO 基氮掺杂碳纳米片有着优异的稳定性，并且其抗甲醇性能稳定。总之，量子点级别的氧化铁基的氮掺杂碳纳米片具有优异的氧还原电化学性能。
实施例四
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)氮掺杂碳纳米材料粗产物制备：
以类石墨烯碳纳米片为碳源，以硫脲为氮源；按质量比计算，将1份的类石墨烯碳纳米片，7份硫脲混合，将得到的混合固体置于管式炉中在氮气气氛下进行高温活化处理，设定所述高温活化反应的反应温度为850℃，控制升温速率5℃/min，反应时间为2h；在反应完成后，将产物浸入质量百分比浓度为6wt.％的盐酸溶液中进行产物洗涤处理，并通过过滤收集所得固体产物，再用去离子水洗涤并干燥，得到洁净的产物；
(2)本步骤与实施例一相同；
(3)本步骤与实施例一相同；
(4)本步骤与实施例一相同；
(5)本步骤与实施例一相同；
(6)本步骤与实施例一相同。
本实施例制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片的FeO纳米颗粒均匀分布，平均直径为2.5nm，本实施例制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片具有优异的氧还原正向性能，且有明显的4e-还原路径；本实施例制得的FeO基氮掺杂碳纳米片作为氧还原电催化剂在使用35000s后保持相对电流不低于87.6％。本实施例制得的FeO基氮掺杂碳纳米片作为氧还原电催化剂在抗甲醇测试中在2000s后保持相对电流不低于85.3％。本实施例制得的FeO 基氮掺杂碳纳米片有着优异的稳定性，并且其抗甲醇性能稳定。总之，量子点级别的氧化铁基的氮掺杂碳纳米片具有优异的氧还原电化学性能。
实施例五
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)氮掺杂碳纳米材料粗产物制备：
以类石墨烯碳纳米片为碳源，以三聚氰胺为氮源；按质量比计算，将1份的类石墨烯碳纳米片，7份三聚氰胺混合，将得到的混合固体置于管式炉中在氮气气氛下进行高温活化处理，设定所述高温活化反应的反应温度为850℃，控制升温速率5℃/min，反应时间为2h；在反应完成后，将产物浸入质量百分比浓度为8wt.％的盐酸溶液中进行产物洗涤处理，并通过过滤收集所得固体产物，再用去离子水洗涤并干燥，得到洁净的产物；
(2)本步骤与实施例一相同；
(3)本步骤与实施例一相同；
(4)本步骤与实施例一相同；
(5)本步骤与实施例一相同；
(6)本步骤与实施例一相同。
本实施例制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片的FeO纳米颗粒均匀分布，平均直径为2.5nm，本实施例制备的氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片具有优异的氧还原正向性能，且有明显的4e-还原路径；本实施例制得的FeO基氮掺杂碳纳米片作为氧还原电催化剂在使用35000s后保持相对电流不低于86.2％。本实施例制得的FeO基氮掺杂碳纳米片作为氧还原电催化剂在抗甲醇测试中在2000s后保持相对电流不低于83.5％。本实施例制得的FeO 基氮掺杂碳纳米片有着优异的稳定性，并且其抗甲醇性能稳定。总之，量子点级别的氧化铁基的氮掺杂碳纳米片具有优异的氧还原电化学性能。
综上所述，上述实施例氧化亚铁量子点负载氮掺杂碳纳米片氧还原电催化剂的制备方法，选择简单易得的六水合三氯化铁为铁源，氮掺杂剂采用尿素，硫脲，三聚氰胺这一类的高富含氮化合物，以类石墨烯碳纳米片为碳源，通过冷冻干燥和热解过程得到量子点级别的氧化铁基的氮掺杂碳纳米片，该材料具有优异的电化学氧还原性能。本发明合成：制作方法简单，成本低廉，适合工程放大和规模化制备；高氮源和过渡金属铁的共掺杂，可有效提高该材料的电催化活性，在氮掺杂碳纳米片电催化的制备领域具有重要的意义和价值。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂，其特征在于：以氮掺杂碳纳米片为载体，以氧化亚铁量子点作为氧还原电催化剂颗粒；氧化亚铁量子点颗粒平均直径为2.5nm；所述氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂采用如下制备方法制备而成，所述制备方法包括以下步骤：
（1）氮掺杂碳纳米材料粗产物制备：
以类石墨烯碳纳米片为碳源，以氮掺杂剂为氮源；按质量比计算，将1-5份的类石墨烯碳纳米片，5-10份氮掺杂剂混合，将得到的混合固体置于管式炉中在氮气气氛下进行高温活化处理，设定所述高温活化反应的反应温度为500-1100℃，控制升温速率2-8℃/min，反应时间为1-3h；在反应完成后，将产物浸入质量百分比为3-10wt.%的盐酸溶液中进行产物洗涤处理，并通过过滤收集所得固体产物，再用去离子水洗涤并干燥，得到洁净的产物；
（2）氮掺杂碳纳米材料产物分散液制备：
按体积比计算，将1-5份的异丙醇和1-5份的去离子水混合，得到混合溶液，将在所述步骤（1）中得到的产物加到混合溶液中，然后超声分散，得到产物分散液；
（3）氮掺杂碳纳米片的制备：
将在所述步骤（2）中得到的产物分散液用细胞破碎机进行超声处理5-12h，然后以1000-5000rpm的转速离心5-10min，再将上层清液继续超声2-5h，再以10000-20000rpm离心10-30min，获得所需要的固体，然后干燥得到氮掺杂碳纳米片；
（4）氮掺杂碳纳米片溶液制备：
将50-80mg在所述步骤（3）中得到的氮掺杂碳纳米片固体溶解在10-30mL去离子水中，均匀混合，得到氮掺杂碳纳米片溶液；
（5）铁源溶液制备：
以六水合三氯化铁为铁源，将六水合氯化铁固体分散在去离子水中，配成浓度为1-10mg/mL的铁源溶液；
（6）FeO基的氮掺杂碳纳米片制备：
将在所述步骤（5）中得到的铁源溶液慢慢滴加到在所述步骤（4）中得到氮掺杂碳纳米片溶液中，在滴加铁源溶液过程中使氮掺杂碳纳米片溶液处于连续的超声状态，在滴加2-5mL的铁源溶液后，在冰浴下继续对氮掺杂碳纳米片溶液超声2-5h，将超声好的混合溶液冷冻干燥36-54h，然后将冷冻干燥后的固体材料置于管式炉中，在氮气气氛下进行高温活化，所述高温活化反应的反应温度为500-1100℃，控制升温速率2-8℃/min，反应时间为1-3h，在反应完成后，将得到的最终产物用去离子水和乙醇分别洗涤3-5次，然后过滤收集所得固体，最后得到黑色粉末状的具有量子点级别的FeO基的氮掺杂碳纳米片。
2.根据权利要求1所述氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂，其特征在于：其氧还原性能的起始电位不低于1.06V；半波电位不低于0.94V；极限电流密度不低于5.3mA cm−2。
3.一种权利要求1所述氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）氮掺杂碳纳米材料粗产物制备：
以类石墨烯碳纳米片为碳源，以氮掺杂剂为氮源；按质量比计算，将1-5份的类石墨烯碳纳米片，5-10份氮掺杂剂混合，将得到的混合固体置于管式炉中在氮气气氛下进行高温活化处理，设定所述高温活化反应的反应温度为500-1100℃，控制升温速率2-8℃/min，反应时间为1-3h；在反应完成后，将产物浸入质量百分比为3-10wt.%的盐酸溶液中进行产物洗涤处理，并通过过滤收集所得固体产物，再用去离子水洗涤并干燥，得到洁净的产物；
（2）氮掺杂碳纳米材料产物分散液制备：
按体积比计算，将1-5份的异丙醇和1-5份的去离子水混合，得到混合溶液，将在所述步骤（1）中得到的产物加到混合溶液中，然后超声分散，得到产物分散液；
（3）氮掺杂碳纳米片的制备：
将在所述步骤（2）中得到的产物分散液用细胞破碎机进行超声处理5-12h，然后以1000-5000rpm的转速离心5-10min，再将上层清液继续超声2-5h，再以10000-20000rpm离心10-30min，获得所需要的固体，然后干燥得到氮掺杂碳纳米片；
（4）氮掺杂碳纳米片溶液制备：
将50-80mg在所述步骤（3）中得到的氮掺杂碳纳米片固体溶解在10-30mL去离子水中，均匀混合，得到氮掺杂碳纳米片溶液；
（5）铁源溶液制备：
以六水合三氯化铁为铁源，将六水合氯化铁固体分散在去离子水中，配成浓度为1-10mg/mL的铁源溶液；
（6）FeO基的氮掺杂碳纳米片制备：
将在所述步骤（5）中得到的铁源溶液慢慢滴加到在所述步骤（4）中得到氮掺杂碳纳米片溶液中，在滴加铁源溶液过程中使氮掺杂碳纳米片溶液处于连续的超声状态，在滴加2-5mL的铁源溶液后，在冰浴下继续对氮掺杂碳纳米片溶液超声2-5h，将超声好的混合溶液冷冻干燥36-54h，然后将冷冻干燥后的固体材料置于管式炉中，在氮气气氛下进行高温活化，所述高温活化反应的反应温度为500-1100℃，控制升温速率2-8℃/min，反应时间为1-3h，在反应完成后，将得到的最终产物用去离子水和乙醇分别洗涤3-5次，然后过滤收集所得固体，最后得到黑色粉末状的具有量子点级别的FeO基的氮掺杂碳纳米片。
4.根据权利要求3所述氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于：在所述步骤（1），高温活化温度为850-1000℃，控制升温速率5-8℃/min，反应时间为2-3h。
5.根据权利要求3所述氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于：在所述步骤（6）中，高温活化温度为850-1000℃，控制升温速率5-8℃/min，反应时间为2-3h。
6.根据权利要求3所述氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于：在所述步骤（1），氮掺杂剂采用尿素、硫脲和三聚氰胺中的至少一种氮源材料。
7.一种权利要求1所述氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的应用，其特征在于：将氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂作为电催化氧还原反应的催化剂使用。
8.根据权利要求7所述氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂的应用，其特征在于：氮掺杂碳纳米片负载氧化亚铁量子点的氧还原电催化剂在使用35000s后保持相对电流不低于91.7%，其在抗甲醇测试中在2000s后保持相对电流不低于89.5%。
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| CN110756188A (zh) * | 2019-08-19 | 2020-02-07 | 四川轻化工大学 | 一种三维碳网络负载FeCo双功能氧气催化剂的制备方法 |
| AU2020103124A4 (en) * | 2020-10-29 | 2021-01-07 | Tianjin University | Preparation method of atomically active sites catalyst supported by integral nitrogen-doped porous carbon for catalyzing VOCs degradation at room temperature |
-
2021
- 2021-08-11 CN CN202110916294.2A patent/CN113845104B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Carbon-Intercalated 0D/2D Hybrid of Hematite Quantum Dots/Graphitic Carbon Nitride Nanosheets as Superior Catalyst for Advanced Oxidation;Junhua Xi et;《Small》;第15卷;1-12 * |
| 史践.《氢能与燃料电池电动汽车》.机械工业出版社,2021,172-173. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113845104A (zh) | 2021-12-28 |
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