一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法技术

本发明专利技术公开了一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法。它将DMF，五氰基氨合铁酸盐，SBA‑15，[VMlm]DCA混合超声均匀后水热，加入DMF并转移至烧瓶中，再加入2,2’‑偶氮双，继续超声，在油浴中持续搅拌后停止反应，滴入丙酮溶液中，静置，抽滤得到沉淀物，干燥、研磨得到粉末产物：在管式炉内煅烧得到黑色粉末产物；用稀氢氟酸处理后得到铁负载的氮掺杂多孔碳材料；本发明专利技术的有益效果是，以金属铁作为金属源，其地球储量丰富，价格低廉，材料易制备，对环境污染很小；所得材料电催化氧还原性能好，循环稳定性优良，甲醇抗毒性稳定，具有巨大的经济效益和社会效益，应用前景很广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法
本专利技术涉及属于无机纳米材料及电化学领域，具体涉及一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法。
技术介绍
燃料电池是一种直接将贮存在燃料和氧化剂中的化学能等温、高效、环境友好地转化为电能的发电装置。由于其较高的能量转换效率、低污染、低噪音、高连续性和可靠性等优点，已经被看成最为环保可靠的发电装置。但是由于其成本较高、技术不成熟，目前尚难产业化。阴极氧还原反应是燃料电池中重要的一部分，商业上阴极氧还原催化剂主要用的是Pt及Pt合金。但是，由于其价格比较昂贵，而且容易中毒、失活，因此开发价格低廉性能可靠的替代品已迫在眉睫。过渡金属负载的掺杂多孔碳材料们具有成本低、强度高、稳定性好、环保、吸附能力强、易于加工以等优良性能，具有潜在替代商业铂碳的可能性，过渡金属（铁、钴……）负载的杂原子掺杂多孔炭材料因其地球储量丰富，性能优异而受到广泛关注。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供了操作简单、价格低廉、产物收率高，具有较大的经济和实用价值的一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法。本专利技术的技术方案如下：一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法，其特征在于，以五氰基氨合铁酸钠盐和[VMlm]DCA为原料,分子筛SBA-15为模板，并按质量分数配比合成。其步骤如下：1）将150份五氰基氨合铁酸钠盐、600份分子筛SBA-15，2000份[VMlm]DCA和5份无水N,N-二甲基甲酰胺溶液(DMF)混合（投料比为30：120：400：1）超声均匀加入到水热釜中后在80-100℃水热6小时。取出水热釜，向其中加入20份无水N,N-二甲基甲酰胺溶液并转移至烧瓶中；取20份2,2’-偶氮双（异丁腈）溶于5份无水N,N-二甲基甲酰胺溶液，超声均匀后，倒入烧瓶中；向该烧瓶通30-40分钟氮气后密封，转移至60-80℃油浴锅中，搅拌6-10小时后停止反应；向上述混合溶液通30-40分钟氮气后密封，转移至60-80℃油浴锅中，搅拌6-10小时后停止反应；2）将步骤1）中的溶液滴入200份丙酮溶液中，静置后，抽滤得到沉淀物，并置于真空干燥箱内干燥，干燥完成后，研磨成粉末保存。3）将步骤2）中的粉末放入石英舟中，在管式炉内，氮气气氛下，以5-10℃/min的升温速率升温至400-900℃，并维持该温度1-4小时，得到黑色粉末产物；4）将步骤3）中的黑色粉末产物用稀氢氟酸处理后，用去离子水洗涤后，置于真空干燥箱内干燥，得到铁负载的氮掺杂多孔碳材料。所述一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法，其特征在于，所述步骤1）中通氮气时间为30-40分钟，油浴温度为60-80℃，搅拌时间为6-10小时。所述一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法，其特征在于，所述步骤2）中真空干燥温度为80-100℃，干燥时间为10-15小时。所述一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法，其特征在于，所述步骤3）中管式炉升温速率为6℃/min，温度为400-900℃，并维持该温度1-3小时。所述一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法，其特征在于，所述步骤3）中管式炉升温速率为6℃/min，温度为500℃，并维持该温度2小时。所述一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法，其特征在于，所述步骤3）中管式炉升温速率为6℃/min，温度为600℃，并维持该温度2小时。所述一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法，其特征在于，所述步骤3）中管式炉升温速率为6℃/min，温度为700℃，并维持该温度2小时。所述一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法，其特征在于，所述步骤3）中管式炉升温速率为6℃/min,温度为800℃，并维持该温度2小时。所述一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法，其特征在于，所述步骤3）中管式炉升温速率为6℃/min，温度为900℃，并维持该温度2小时。所述一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法，其特征在于，所述步骤4）中稀氢氟酸浓度为10%wt，酸处理时间为6小时，真空干燥温度为80℃，时间为12小时。所述一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料作为燃料电池氧还原催化剂的应用。本专利技术的有益效果是，以金属铁最为金属源，其地球储量丰富，价格低廉远低于商业铂碳；材料易制备，对环境污染很小；所得材料电催化氧还原性能较商业铂碳好,其半波电电位0.836V(vsRHE)优于铂碳0.81V(vsRHE)，循环稳定测试50000秒后性能无明显下降，甲醇抗毒性稳定，具有巨大的经济效益和社会效益，应用前景很广泛。附图说明图1为本专利技术20微米尺度下Fe@NCNTs-800的扫描电镜图片；图2为本专利技术10纳米尺度下Fe@NCNTs-800的透射电镜图片；图3为本专利技术5纳米尺度下Fe@NCNT-800的透射电镜图片；图4为本专利技术Fe@NCNTs-800及Pt/C在1600转速下的旋转圆盘电极扫描曲线；图5为本专利技术Fe@NCNTs-800在充满O2的0.1MKOH中的旋转圆盘电极扫描曲线(400rpm至2025rpm)。具体实施方式以下结合说明书附图及具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步说明，但本专利技术的保护范围不限于此:一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法，包括如下步骤:1）将150份五氰基氨合铁酸钠盐、600份分子筛SBA-15，2000份[VMlm]DCA和5份无水N,N-二甲基甲酰胺溶液(DMF)混合后超声均匀；加入到水热釜中，80-100℃水热6小时后，加入20份无水N,N-二甲基甲酰胺溶液并转移至烧瓶中；取20份2,2’-偶氮双（异丁腈）溶于5份无水N,N-二甲基甲酰胺溶液，超声均匀后，倒入烧瓶中；向上述烧瓶通30-40分钟氮气后密封，转移至60-80℃油浴锅中，搅拌6-10小时后停止反应；2）将步骤1）中的溶液滴入200份丙酮溶液中，静置后，抽滤得到沉淀物，并置于真空干燥箱内干燥，干燥完成后，研磨成粉末保存。3）将步骤2）中的粉末放入石英舟中，在管式炉内，氮气气氛下，以5-10℃/min的升温速率升温至400-900℃，并维持该温度2-4小时，得到黑色粉末产物；4）将步骤3）中的黑色粉末产物用稀氢氟酸处理后，用去离子水洗涤后，置于真空干燥箱内干燥，得到铁负载的氮掺杂多孔碳材料。本专利技术得到的铁负载的氮掺杂多孔碳材料作为燃料电池氧还原催化剂的应用，其性能测试方法如下：将制得的铁负载的氮掺杂多孔碳材料、无水乙醇和Nafion溶液，超声分散均匀，将其滴在电极上，然后在空气中干燥制成电极，以该电极为工作电极，以铂片电极为对电极，以Ag/AgCl为参比电极，KOH为电解液，组装成氧还原催化剂的测试装置，测试CV和RDE，所述的多孔碳材料、乙醇Nafion溶液的用量比为4mg：0.9mL：0.1mL。所述电解液为摩尔浓度为0.1mol/L的KOH溶液。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法，其特征在于以五氰基氨合铁酸钠盐和1‑乙烯基‑3‑甲基咪唑二腈胺盐[VMlm]DCA为原料，分子筛SBA‑15为模板，其特征在于包括如下步骤：1）将五氰基氨合铁酸钠盐、分子筛SBA‑15，[VMlm]DCA和无水N,N‑二甲基甲酰胺溶液混合超声均匀，再加入到水热釜中在80‑100℃中维持一段时间，结束后取出水热釜，向水热釜中加入无水N,N‑二甲基甲酰胺溶液并转移至烧瓶中，再取2,2’‑偶氮双（异丁腈）溶于无水N,N‑二甲基甲酰胺溶液超声均匀后，倒入烧瓶中；并向该烧瓶通30‑40分钟氮气后密封，转移至60‑80℃油浴锅中，搅拌反应6‑10小时得到溶液；2）将步骤1）中的溶液滴入丙酮溶液中，静置后，抽滤得到沉淀物，并将沉淀物置于真空干燥箱内烘干、研磨成粉末保存；3）将步骤2）中的粉末放入石英舟中，在管式炉内，氮气气氛下，以5‑10℃/min的升温速率升温至400‑900℃，并保温1‑4小时，得到黑色粉末产物；4）将步骤3）中的黑色粉末产物用氢氟酸处理，并用去离子水洗涤后，置于真空干燥箱内干燥，得到铁负载的氮掺杂多孔碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法，其特征在于以五氰基氨合铁酸钠盐和1-乙烯基-3-甲基咪唑二腈胺盐[VMlm]DCA为原料，分子筛SBA-15为模板，其特征在于包括如下步骤：1）将五氰基氨合铁酸钠盐、分子筛SBA-15，[VMlm]DCA和无水N,N-二甲基甲酰胺溶液混合超声均匀，再加入到水热釜中在80-100℃中维持一段时间，结束后取出水热釜，向水热釜中加入无水N,N-二甲基甲酰胺溶液并转移至烧瓶中，再取2,2’-偶氮双（异丁腈）溶于无水N,N-二甲基甲酰胺溶液超声均匀后，倒入烧瓶中；并向该烧瓶通30-40分钟氮气后密封，转移至60-80℃油浴锅中，搅拌反应6-10小时得到溶液；2）将步骤1）中的溶液滴入丙酮溶液中，静置后，抽滤得到沉淀物，并将沉淀物置于真空干燥箱内烘干、研磨成粉末保存；3）将步骤2）中的粉末放入石英舟中，在管式炉内，氮气气氛下，以5-10℃/min的升温速率升温至400-900℃，并保温1-4小时，得到黑色粉末产物；4）将步骤3）中的黑色粉末产物用氢氟酸处理，并用去离子水洗涤后，置于真空干燥箱内干燥，得到铁负载的氮掺杂多孔碳材料。2.根据权利要求1所述一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳材料的合成方法，其特征在于，所述步骤1）中通氮气时间为30-40分钟，油浴温度为60-80℃，搅拌时间为6-10小时；步骤2）中真空干燥温度为80-100℃，干燥时间为10-15小时。3.根据权利要求1所述一种具有优异电催化氧还原性能的铁负载的氮掺杂多孔碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄桂林，张少华，王建国，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33