一种铁氮碳催化剂及其制备方法与用途与流程

技术特征：
1.一种铁氮碳催化剂，其特征在于，该催化剂包括铁原子和掺氮碳基体，所述掺氮碳基体具有石墨化结构，所述铁原子以与氮原子形成配位体的方式镶嵌在所述掺氮碳基体中；其中，以所述铁氮碳催化剂为基准，所述铁原子的含量为0.001～1重量％，所述氮原子的含量为2～10重量％，碳含量为50～90重量％；优选地，以所述铁氮碳催化剂为基准，所述铁原子的含量为0.3～0.8重量％，所述氮原子的含量为4～10重量％，碳含量为75～90重量％。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述氮原子在所述掺氮碳基体中的存在形式包括吡啶类氮、吡咯类氮、石墨化氮和氧化类氮中的至少一种；优选地，所述氮原子至少包括吡啶类氮和吡咯类氮，以所述氮原子的总重量为基准，所述吡啶类氮和所述吡咯类氮的含量之和不小于20重量％，优选为40～80重量％。3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述掺氮碳基体的比表面积不小于100cm2/g，优选为200～400cm2/g；所述掺氮碳基体上具有微孔和介孔，其中，微孔的孔径为1～2nm，孔容为0.1～0.4cc/g，介孔的孔径为5～100nm，孔容为0.1～0.4cc/g。4.根据权利要求1～3中任意一项所述的催化剂，其特征在于，所述铁氮碳催化剂的半波电位为0.85～0.88v，优选为0.87～0.88v，电流密度为3～6ma/cm2，优选为4.5～5.5ma/cm2。5.一种制备权利要求1～4中任意一项所述的铁氮碳催化剂的方法，其特征在于，该方法包括：a、将萘与氮源混合并在无水三氯化铁作用下进行聚合反应，得到含氮萘沥青前驱体，其中，所述氮源为含有氮杂环的芳香族化合物；b、将所述含氮萘沥青前驱体在惰性气体气氛下进行高温碳化处理，得到中间体；c、将所述中间体进行酸洗，得到铁氮碳催化剂，其中，进行酸洗时，所使用的酸包括盐酸、硫酸和硝酸中的至少一种，酸浓度为0.5～6mol/l，优选为2～4mol/l。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤a中，所述氮源包括吡咯、咔唑和吲哚中的至少一种；所述氮源与萘的重量之比为1:1～1:10，优选为1:1～3:10；无水三氯化铁与氮源和萘的混合物的重量之比为1:10～8:10，优选为2:10～4:10。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤a中，所述聚合反应的条件包括：反应时间为2～10h，反应温度为40～100℃；优选地，反应时间为4～6h，反应温度为80～90℃。8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤b中，所述惰性气体包括氮气和/或氩气，惰性气体流量为150～200ml/min；所述高温碳化包括：b1、以2～8℃/min的升温速率将温度从室温升至800～1200℃；b2、保温0.5～4h；b3、以1～10℃/min的降温速率将温度降至室温。9.权利要求1～4中任意一项所述的铁氮碳催化剂在制备燃料电池中的用途。10.燃料电池，其特征在于，该燃料电池通过利用权利要求1～4中任意一项所述的铁氮碳催化剂制备得到。

技术总结
本公开涉及一种铁氮碳催化剂及其制备方法与用途，该催化剂包括铁原子和掺氮碳基体，所述掺氮碳基体具有石墨化结构，所述铁原子以与氮原子形成配位体的方式镶嵌在所述掺氮碳基体中；其中，以所述铁氮碳催化剂为基准，所述铁原子的含量为0.001～1重量％，所述氮原子的含量为2～10重量％，碳含量为50～90重量％。本公开提供的铁氮碳催化剂包括具有石墨化结构的掺氮碳基体，以及以与氮原子形成配位体的方式镶嵌在所述掺氮碳基体中的铁单原子，其中，铁单原子含量高且分散均匀，因此，该铁氮碳催化剂的物化结构稳定，具有良好的氧还原催化性能，可用作燃料电池的阴极催化剂。可用作燃料电池的阴极催化剂。可用作燃料电池的阴极催化剂。


技术研发人员：吴玉超 彭茜 顾贤睿 王厚朋
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院
技术研发日：2020.12.23
技术公布日：2022/6/24