本發(fā)明屬于電池材料，特別涉及一種氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、金屬－空氣電池作為一種無需燃燒即可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的新型能源轉(zhuǎn)換裝置，因其高效、環(huán)保的特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。這種電池不僅能夠顯著降低溫室氣體排放，減少環(huán)境污染，還能有效提高能源利用效率，為實(shí)現(xiàn)全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)提供了新的可能。金屬－空氣電池具有比容量高、成本低、污染小等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法；該制備方法制備成本低，制備方法簡(jiǎn)單，且制得的復(fù)合材料具有優(yōu)異的氧還原電催化活性。

2、本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述制備方法制備得到的氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料。

3、本發(fā)明的再一目的在于提供一種上述氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料的應(yīng)用。

4、本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

5、一種氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，包括以下操作步驟：

6、將鎂鋅nc前驅(qū)體和硒化合物一起研磨混合，再與過渡金屬鐵化合物一同放進(jìn)管式爐中，在氮?dú)饣蚨栊詺怏w下使用氣相沉積法進(jìn)行煅燒，煅燒產(chǎn)物研磨后酸洗，抽濾后干燥，然后進(jìn)行二次煅燒，得到氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料；所述過渡金屬鐵化合物與硒化合物的摩爾比為(0.1～5)：(0.1～6)；所述過渡金屬鐵化合物和鎂鋅nc前驅(qū)體的摩爾比為(0.01～1)：(0.1～5)。

7、本發(fā)明采用模板的合成策略，形成多孔參雜碳材料負(fù)載過渡金屬單原子催化劑。本發(fā)明在摻雜n的多孔碳上開發(fā)了含有fe單原子參雜se顆粒的電催化劑，由于fese顆粒之間存在協(xié)同作用可以調(diào)節(jié)電荷重新分布，優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，可以有效降低吸附能并協(xié)同提高催化活性，顯著促進(jìn)了氧還原反應(yīng)。

8、所述鎂鋅nc前驅(qū)體是由氯化鎂、對(duì)苯二胺、氯化鈉和氯化鋅合成，具體是按照以下步驟制備得到：

9、(1)將1mmol無水氯化鎂和20ml甲醇，磁力攪拌直至完全溶解得到a溶液；

10、(2)將10mmol對(duì)苯二胺和20ml甲醇，磁力攪拌直至完全溶解得到b溶液；

11、(3)將700mg氯化鈉、1300mg氯化鋅和20ml去離子水，磁力攪拌直至完全溶解得到c溶液；

12、(4)將a溶液添加到b溶液中，攪拌10min后將c溶液也倒入其中，所得混合溶液進(jìn)行磁力攪拌6小時(shí)以上，隨后使用液氮進(jìn)行冷凍，然后冷凍干燥36h，干燥后將所得的固體研磨10min，所得粉末顆粒在管式爐中氮?dú)夥諊乱?00℃煅燒保溫2h，升溫速率為5℃/min；煅燒后的粉末顆粒再次進(jìn)行研磨10min，隨后用去離子水進(jìn)行沖洗抽濾，去除其中的可溶性鹽離子；再用0.5mol/l的硫酸進(jìn)行酸洗12h，然后再用離子水進(jìn)行抽濾，抽濾完成后，在烘箱中70℃進(jìn)行干燥12h；將干燥后的樣品進(jìn)行研磨30min，再進(jìn)行二次煅燒，在管式爐中氮?dú)夥諊乱?00℃煅燒保溫2h，升溫速率為5℃/min，得到鎂鋅nc前驅(qū)體。

13、所述過渡金屬鐵化合物與硒化合物的摩爾比為1：1；所述過渡金屬鐵化合物和鎂鋅nc前驅(qū)體的摩爾比為(0.01～0.5)：(0.5～3)。

14、所述干燥是在烘箱中進(jìn)行，干燥的溫度為20～100℃，優(yōu)選為75℃。

15、所述煅燒的溫度為600～1100℃，時(shí)間為0.5～3h。

16、所述二次煅燒的溫度為900℃，時(shí)間為2h。

17、一種由上述的制備方法制備得到的氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料，在所述復(fù)合材料中鐵原子和硒原子均勻分布于氮摻雜的碳基材料之上。

18、上述的氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料在金屬空氣電池中的應(yīng)用。

19、一種金屬空氣電池正極材料，所述正極材料包括上述的氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料。

20、本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

21、(1)本發(fā)明提供了一種氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，該制備方法以模板合成策略，制備出摻雜n的多孔碳上開發(fā)了含有fe單原子摻雜se顆粒的電催化劑，該催化劑創(chuàng)新性地在fe單原子催化劑中引入了se原子，并成分均勻的分布于氮摻雜的碳基材料之上。通過se的引入可以使p-d軌道雜化調(diào)節(jié)fe位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，從而優(yōu)化orr過程中活性位點(diǎn)與中間體之間的吸附/脫附行為；不僅確保了催化劑的高效利用，還通過鐵硒粒子間的協(xié)同效應(yīng)，極大地增強(qiáng)了催化效率，顯著促進(jìn)了氧還原反應(yīng)。

22、(2)本發(fā)明制得的氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料具有優(yōu)異的氧還原電催化活性，在堿性電解質(zhì)中能夠與pt/c催化劑相近，半波電位達(dá)到0.89v(vs.rhe)，并表現(xiàn)出比商業(yè)pt/c更高的功率密度、更優(yōu)異的5ma?cm-2長(zhǎng)時(shí)間放電性能和階躍放電性能。

技術(shù)特征：

1.一種氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于包括以下操作步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述鎂鋅nc前驅(qū)體是由氯化鎂、對(duì)苯二胺、氯化鈉和氯化鋅合成。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述鎂鋅nc前驅(qū)體是按照以下步驟制備得到：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述過渡金屬鐵化合物與硒化合物的摩爾比為1：1；所述過渡金屬鐵化合物和鎂鋅nc前驅(qū)體的摩爾比為(0.01～0.5)：(0.5～3)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述干燥是在烘箱中進(jìn)行，干燥的溫度為20～100℃。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述干燥的溫度為75℃。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述煅燒的溫度為600～1100℃，時(shí)間為0.5～3h；所述二次煅燒的溫度為900℃，時(shí)間為2h。

8.一種由權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于：在所述復(fù)合材料中鐵原子和硒原子均勻分布于氮摻雜的碳基材料之上。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料在金屬空氣電池中的應(yīng)用。

10.一種金屬空氣電池正極材料，其特征在于；所述正極材料包括權(quán)利要求8所述的氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于電池材料技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種氮摻雜多孔碳負(fù)載鐵硒過渡金屬?gòu)?fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用。該方法創(chuàng)新性地在Fe單原子催化劑中引入了Se原子，并成分均勻的分布于氮摻雜的碳基材料之上。通過Se的引入可以使p?d軌道雜化調(diào)節(jié)Fe位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，從而優(yōu)化ORR過程中活性位點(diǎn)與中間體之間的吸附/脫附行為，不僅確保了催化劑的高效利用，還通過鐵硒粒子間的協(xié)同效應(yīng)，極大地增強(qiáng)了催化效率。此外，該復(fù)合材料的合成方法簡(jiǎn)單易行，具備較高的經(jīng)濟(jì)性，為其實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。相較于傳統(tǒng)鉑碳催化劑，本發(fā)明復(fù)合材料催化劑在電化學(xué)表現(xiàn)上具有顯著優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)研發(fā)人員：王乃光,萬(wàn)紫祥,李鑫柱,張偉成,施志聰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣東工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15