一种g-C3N4耦合Fe-NMPC的双碳光电协同氧催化材料及其制备方法和应用
本发明属于光催化领域，特别涉及一种g-c3n4耦合fe-n/mpc的双碳光电协同氧催化材料及其制备方法和应用。
背景技术：
1、随着能源需求和环境污染问题的加剧，开发清洁替代能源已成为目前的首要任务。其中，锌空气电池(zabs)由于能量密度高、成本低和环境友好等特点，被认为是未来极具应用前景的新能源代表之一。其主要通过氧还原反应(orr)和析氧反应(oer)产生和储存能量。然而，orr和oer缓慢的动力学导致锌空电池无法达到最大效率，且往往产生较高过电位，限制了其实际性能。因此，如何构建高效的双功能催化剂以降低orr/oer的反应活化能是解决这一问题的关键。
2、过渡金属铁-氮-碳材料(fe-n-c)因其高导电性和优异的催化性能引起研究人员的极大关注。然而，该材料的实际应用仍存在着以下挑战：(1)fe-n-c是良好的orr催化剂，但对oer的电催化性能不佳。其复杂的合成过程会严重阻碍活性位点的精确调控和暴露；(2)电催化过程会导致碳载体的腐蚀和金属中心的脱落，造成催化性能和稳定性的不足；(3)由于fe-n-c非贵金属催化剂特性，往往需要在较高的载量下工作，导致催化层过厚，因而限制了反应气体的传质。因此，实现zabs中空气电极的高催化活性和稳定性，打通厚层电极的有效传质至关重要。
3、随着光催化技术的发展，近年来有研究人员提出了光辅助锌空气电池的策略，发现光化学和电化学相结合是提高催化剂本征催化活性和实现高性能锌空气电池的有效途径，主要涉及光催化材料的构建与应用，收集和利用光能以提高锌空气电池的性能。石墨化氮化碳(g-c3n4)是一种常见的光催化剂，但是其光电转换效率较低，通常与其他半导体材料复合形成异质结，以提高其光催化活性和稳定性。因此，将两者材料耦合设计开发具有高催化活性，稳定的光电协同双功能催化剂以实现具有高性能的光辅助锌空气电池具有重要意义。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是提供一种g-c3n4耦合fe-n/mpc的双碳光电协同氧催化材料及其制备方法和应用，解决现有技术中催化剂活性位点未充分暴露，碳载体的腐蚀和金属中心的脱落，造成催化性能和稳定性的不足的问题。
2、本发明提供了一种g-c3n4耦合fe-n/mpc的双碳光电协同氧催化材料，采用模板法制备铁-氮共掺杂多孔碳fe-n/mpc，利用煅烧法制备g-c3n4，最后将fe-n/mpc和g-c3n4通过混合球磨得到。
3、本发明还提供了一种g-c3n4耦合fe-n/mpc的双碳光电协同氧催化材料的制备方法，包括如下步骤：
4、(1)取含氮高聚物聚季铵盐、纳米sio2和feso4加入到hcl溶液中搅拌反应，得到前驱体；
5、(2)将上述前驱体进行一次碳化，随后进行碱洗和酸洗，再进行二次碳化，得到铁-氮共掺杂多孔碳fe-n/mpc；
6、(3)将fe-n/mpc和g-c3n4通过混合球磨，得到g-c3n4耦合fe-n/mpc的双碳光电协同氧催化材料。
7、优选的，述步骤(1)中的含氮高聚物聚季铵盐、纳米sio2和feso4的质量比为4.5:1:0.3-0.9。
8、优选的，所述步骤(1)中的搅拌反应时间为1-10h。
9、优选的，所述步骤(2)中的一次碳化和二次碳化在n2条件下进行，升温速率为20-50℃/min，温度为700-900℃，时间为1-2h。
10、优选的，所述步骤(2)中的碱洗是将产物置于naoh溶液中碱洗搅拌，随后用去离子水抽滤溶液至中性，并在烘箱干燥。
11、优选的，所述步骤(2)中的酸洗是将产物置于h2so4溶液中酸洗搅拌，随后用去离子水抽滤溶液至中性，并在烘箱干燥。
12、优选的，所述步骤(3)中的g-c3n4占fe-n/mpc质量的5-15％。
13、优选的，所述步骤(3)中的球磨转速为300-500rpm，时间为1-5h。
14、本发明还提供了一种g-c3n4耦合fe-n/mpc的双碳光电协同氧催化材料在可视化光增强型锌空气电池中的应用。
15、有益效果
16、(1)本发明通过g-c3n4协同fe-n/mpc可形成新的n-c活性位点，促进电极内活性位点的良好暴露，同时降低催化剂活性位点的团聚、迁移和脱离程度，有利于提高催化剂的催化活性和稳定性。
17、(2)本发明基于铁和氮原子对多孔碳的掺杂效应及其与g-c3n4的能级结构匹配调控，可形成具有合适的带隙宽度和交错的p-n异质结构的高效光辅助多孔碳基orr/oer双效催化剂。g-c3n4与掺杂多孔碳之间的π-π重构有利于扩大光吸收范围，同时促进光生电荷载流子的转移，刺激更多电子参与orr/oer，提高催化活性和电池性能。
18、(3)本发明结合太阳能电池光能转化和可充电金属电池高储能的优势，将催化剂实际应用于光辅助液流式锌空气电池中，实现高比容量和高充放电循环稳定性。
技术特征：
1.一种g-c3n4耦合fe-n/mpc的双碳光电协同氧催化材料，其特征在于：采用模板法制备铁-氮共掺杂多孔碳fe-n/mpc，利用煅烧法制备g-c3n4，最后将fe-n/mpc和g-c3n4通过混合球磨得到。
2.一种g-c3n4耦合fe-n/mpc的双碳光电协同氧催化材料的制备方法，包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的含氮高聚物聚季铵盐、纳米sio2和feso4的质量比为4.5:1:0.3-0.9。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的搅拌反应时间为1-10h。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的一次碳化和二次碳化在n2条件下进行，升温速率为20-50℃/min，温度为700-900℃，时间为1-2h。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的碱洗是将产物置于naoh溶液中碱洗搅拌，随后用去离子水抽滤溶液至中性，并在烘箱干燥。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的酸洗是将产物置于h2so4溶液中酸洗搅拌，随后用去离子水抽滤溶液至中性，并在烘箱干燥。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的g-c3n4占fe-n/mpc质量的5-15％。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的球磨转速为300-500rpm，时间为1-5h。
10.一种如权利要求1所述的g-c3n4耦合fe-n/mpc的双碳光电协同氧催化材料在可视化光增强型锌空气电池中的应用。
技术总结
本发明涉及一种g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;耦合Fe‑N/MPC的双碳光电协同氧催化材料及其制备方法和应用，采用模板法制备铁‑氮共掺杂多孔碳Fe‑N/MPC，利用煅烧法制备g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;，最后将Fe‑N/MPC和g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;通过混合球磨得到。本发明的材料具有交错p‑n异质结构，合适的带隙宽度和较大的比表面积能有效捕获光能，显著提高氧还原和析氧反应动力学；同时，由其组装的可视化锌空气电池在辅助光驱动下，可实现高比容量和高充放电循环稳定性，具有良好的市场应用前景。
技术研发人员：徐能能,庄碧艳,乔锦丽,王永霞,郭丽媛
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5