本技术涉及一种硫酸锌硫化碳材料的制备方法及其作为氧电催化剂载体的应用。首先,利用硫酸锌的良好水溶性和高温易分解特性,通过水磨法制备碳材料的水墨分散液,再经高温处理得到硫化碳材料。实验表明,该硫化方法不仅能有效掺杂硫元素,还能增加碳材料的比表面积和孔隙度,且可应用于多种碳材料。硫化后的碳材料可作为氧电催化剂载体,表现出比未硫化碳载体更好的活性和稳定性。采用该方法制备的碳材料SVDC<subgt;S</subgt;与酞菁铁(FePc)复合后,得到的催化剂FePc/SVDC<subgt;S</subgt;具有优异的氧还原活性和稳定性,半波电位为0.91V,比商业Pt/C催化剂高70mV,并且具有更好的稳定性,这表明该硫化碳材料在氧电催化剂载体领域具有良好的应用前景。
背景技术
通过电池的电化学氧化还原作用发电、储能是一种有效可靠且经济适用的绿色能源形式。在这些装置中,氧还原反应(ORR)是普遍存在且关键的一步,直接影响了电池的效率和性能。然而,ORR的动力学过程比较缓慢,通常需要借助相应的催化剂完成反应。目前贵金属基催化剂如铂基催化剂因其优异的氧还原活性,被认为是最有效的氧还原催化剂,但其存在稳定性差,价格高昂,储量稀少等问题,不足以支撑燃料电池等绿色能源转化装置的大规模应用。因此,开发在自然界中储量丰富且具有一定催化活性的过渡金属基催化剂以替代铂基催化剂被视为实现绿色能源广泛应用的方法之一。其中,酞菁铁(FePc)具有精确的Fe-N4
活性位点,在ORR过程中可以吸收和保留多个电子以优化中间体的结合能,从而促进ORR反应,被认为是一种高效的ORR催化剂。但FePc的导电率较低,且易聚集,因此,将FePc分散到稳定导电的多孔碳载体上是提高FePc利用率的一个很好的策略。
碳载体(如石墨烯、碳纳米管、活性炭等)具有高表面积、良好的导电性和化学稳定性,可以有效增强催化剂的导电性和结构稳定性,碳载体的结构和化学组成也直接影响了催化剂的活性。对碳材料进行不同元素掺杂(如氮、硫、磷等)能够调节其电子结构,形成具有较高催化活性的位点,从而提高氧还原反应的活性。结合上述背景,本方法采用硫酸锌作为硫源,利用硫酸锌良好的水溶性和高温下易分解的特点,制备了硫元素掺杂的碳材料,该碳材料不仅成功掺杂了硫元素,还具备了更高的比表面积。将其负载酞菁铁后,所得到的催化剂相比未掺杂催化剂具备更优异的氧还原活性和稳定性,显示出该硫化碳材料在电催化剂载体领域具有良好的应用前景。
实现思路