本发明专利技术公开了一种可用于稳定高效催化燃料电池阴极氧气还原反应的Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维材料的制备方法，具体是：将碳纳米纤维与吡咯按比例混合后，加入一定量的三价铁离子溶液，使吡咯聚合后均匀的包裹在碳纳米纤维表面，除去未反应的杂质，抽滤后，自然晾干，再将包裹了聚吡咯的碳纳米纤维浸泡在铁离子溶液中，吸收三价铁离子至饱和，然后抽滤烘干，再经高温处理、酸回流、高温处理，即可得到Fe、N共掺杂的多孔碳纳米纤维高效电催化剂。本发明专利技术利用碳纳米纤维、吡咯和铁离子作为前驱物制备出了Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维，原料廉价易得，易于大规模生产，可以替代昂贵的Pt基材料作为稳定高效的燃料电池氧气还原反应催化剂。
【技术实现步骤摘要】
—种可用于聚合物燃料电池阴极催化剂的Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维的制备方法
本专利技术属于纳米材料
，尤其涉及一种可用于燃料电池氧气还原反应催化剂一Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维材料的制备方法。
技术介绍
高效环保的聚合物燃料电池在能量转换利用领域受到了极大的关注。燃料电池由阴极氧气还原反应和阳极燃料物质氧化反应组成，其中，阴极氧气还原反应是限制燃料电池广泛应用的主要因素。长期以来，人们一直利用贵金属钼作为催化剂，催化聚合物燃料电池阴极的氧气还原反应，但由于钼含量有限，使它们造价昂贵。并且Pt对甲醇等燃料和中间产物一氧化碳的反应选择性较差，易于毒化失活，不利于聚合物燃料电池的大规模应用。 目前，替换传统钼基燃料电池催化剂的方法主要有三类。一类是将贵金属钼与其他非贵金属，如铁、钴、镍等进行复合，以降低催化剂中钼的含量，从而减少造价，但其合成过程往往复杂，需要精细调控，不利于实际应用。另一类是使用钯或钌等贵金属替换钼，但这不仅使催化剂的活性降低，并且制备过程工艺要求高，造价仍然昂贵。第三类方法是用自然界含量丰富的非贵金属，主要以碳材料为主来替换Pt，这种方法的催化剂用量较传统催化剂稍多，但它们的价格低廉，易于大规模制备，活性高，耐久稳定，可以达到理想的替换效果。碳纳米材料作为可以大量制备，性能优异的新型材料，作为燃料电池氧气还原反应电催化剂可以克服传统钼基催化剂成本过高，供应有限，交叉失活和耐久性差等一些本征缺点。通过对碳材料进行杂原子掺杂可以有效的提升其催化活性。本专利技术的方法属于第三类方法。
技术实现思路
本专利技术为避免上述现有技术所存在不足之处，提供一种利用廉价易得的碳纳米纤维和吡咯、铁离子溶液作为前驱物制备Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维的方法，既具有通用性，也可以降低制备成本，实现规模化制备，且催化性质高效稳定。 具体地，本专利技术涉及如下各项: 1.一种Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维的制备方法，所述方法包括如下步骤: a.将碳纳米纤维，稀释于水，获得备用碳纳米纤维溶液； b.向所述备用碳纳米纤维溶液中加入吡咯，超声、搅拌均匀后，滴入三价铁离子溶液，使吡咯充分聚合，获得包裹了聚吡咯的碳纳米纤维； c.将所述包裹了聚吡咯的碳纳米纤维浸泡在铁离子溶液中，过滤后烘干，获得铁/聚吡咯包裹的碳纳米纤维； d.将所述铁/聚吡咯包裹的碳纳米纤维进行600°C -1400°c初次高温处理，得到Fe、N共掺杂的碳纳米纤维-1 ； e.将所述Fe、N共掺杂的碳纳米纤维_1进行酸刻蚀,得到Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维-2 ； f.将所述Fe、N共掺杂的碳纳米纤维_2再次进行600°C -1400°C高温处理，得到Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维材料。 2.根据I所述的制备方法，其特征在于:步骤b中所述铁离子溶液为Fe3+溶液，优选为 Fe (NO3)3 或 FeCl3。 3.根据I所述的制备方法，其特征在于:步骤b中所述吡咯的聚合时间为2_6h。 4.根据I所述的制备方法，其特征在于:步骤c中所述的铁离子溶液与步骤b中铁离子溶液的种类可以相同或不同，优选相同，浓度为0.1?0.3mol/L。 5.根据I所述的制备方法，其特征在于:步骤c中所述包裹了聚吡咯的碳纳米纤维在铁离子溶液中的浸泡时间为2?12h，烘干温度为50-90°C。 6.根据I所述的制备方法，其特征在于:步骤d和f中的高温处理步骤为:将所述铁/聚吡咯包裹的碳纳米纤维或所述Fe、N共掺杂的碳纳米纤维-2在管式炉中以4-6°C /min的速率升温至600°C -1400°C，保持l_4h ;再以4_6°C /min的速率降温至500°C，最后再自然降至室温；其中管式炉内保持常压。 7.根据I所述的制备方法，其特征在于:步骤d和f中的高温处理步骤在保护气体中进行，所述保护气体为氩气或氮气。 8.根据I所述的制备方法，其特征在于:步骤e中所述酸刻蚀以硫酸溶液在油浴中进行。 9.1-8任一项所述的制备方法制备出的Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维。 10.9所述的Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维用于聚合物燃料电池阴极催化剂的用途。 专利技术详述 本专利技术的第一个方面提供一种稳定高效的可用于聚合物燃料电池阴极催化剂的Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维的制备方法，其特点在于按如下步骤进行: a.取一定量的碳纳米纤维，加入一定量的水稀释，获得备用碳纳米纤维(CNFs)溶液； b.向所述备用碳纳米纤维溶液中加入吡咯，搅拌均匀后，以一定速度滴入铁离子溶液，使吡咯充分聚合，获得包裹了聚吡咯的碳纳米纤维(CNFS@ppy)，为防止吡咯聚合时团聚，铁离子滴加时一定要逐滴加入，为保证吡咯聚合充分，聚合时间设置在2-6h ； c.将包裹了聚吡咯的碳纳米纤维(CNFs@ppy)浸泡在铁离子溶液中，吸收至饱和，过滤烘干后，获得铁/聚吡咯包裹的碳纳米纤维(CNFsOppy-Fe)，为保证包裹了聚吡咯的碳纳米纤维(CNFs@ppy)吸收铁离子至饱和,浸泡时间设置为2-12h ； d.将所述铁/聚吡咯包裹的碳纳米纤维(CNFsOppy-Fe)置于管式炉中进行6000C -1400°C初次的高温处理，得到了 Fe、N共掺杂碳纳米纤维-1 (Fe-N-CNFs-1)； e.将Fe-N-CNFs-1进行酸刻蚀，得到了 Fe、N共掺杂碳纳米纤维-2(Fe-N-CNFs-2)； f.将Fe-N-CNFs-2再次进行600°C _1400°C高温处理，得到了 Fe、N共掺杂的碳纳米纤维-3 (Fe-N-CNFs-3)，即得可用于稳定高效催化燃料电池阴极氧气还原反应的Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维材料(Fe-N-CNFs)。 优选的，步骤￡1中所述的碳纳米纤维维的合成方法为:(1)合成碲线(以50001反应釜为例)。取108溶于32001的水中，加入0.9217^版12丁6(^33.3^1氨水和16.7^1水合肼，搅拌均匀后，将上述溶液放入50001反应釜中，将反应釜放在1801的烘箱中保温3匕然后用自来水冲洗，使反应釜骤冷；取75-8001母液，一边震荡，一边加入约35001丙酮，此时深蓝色溶液变成白色，烧杯底部出现蓝紫色沉淀；(2)合成直径约为5011111的碳包碲!' 0(以160001为例)。重复上述步骤得到3份碲线，取出上述沉淀放入1.5“离心管中，以8000^111的速率离心3分钟，倾去上清液，用乙醇和水轻轻冲洗表面，取出所有碲线(3支)，放入烧杯中，加入15001水，剧烈搅拌15分钟，充分分散碲线；在160001反应釜中，加入103001水，808葡萄糖，搅拌溶解；将上述得到的碲线溶液加入到葡萄糖溶液中，搅拌均匀后密封，放在1601的烘箱中保温2处，然后自然冷却；(3)处理。抽滤，用水洗至澄清，再用乙醇洗至无色，用600-10001111的水:盐酸:双氧水为10:1:2(体积比)的溶液浸泡上述产物，机械搅拌5匕然后用水洗至中性，搅拌分散在水中保存。 优选的，步骤13中所述的铁离子溶液可以是(^) 3或等含溶液，吡咯聚合的时间为2-61！。 优选的，步骤0中所述的铁离子溶液与步骤6中的种类相同，为0.1?0.3^01/1,⑶口純本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维的制备方法，所述方法包括如下步骤：a.将碳纳米纤维，稀释于水，获得备用碳纳米纤维溶液；b.向所述备用碳纳米纤维溶液中加入吡咯，超声、搅拌均匀后，滴入三价铁离子溶液，使吡咯充分聚合，获得包裹了聚吡咯的碳纳米纤维；c.将所述包裹了聚吡咯的碳纳米纤维浸泡在铁离子溶液中，过滤后烘干，获得铁/聚吡咯包裹的碳纳米纤维；d.将所述铁/聚吡咯包裹的碳纳米纤维进行初次600℃‑1400℃高温处理，得到Fe、N共掺杂的碳纳米纤维‑1；e.将所述Fe、N共掺杂的碳纳米纤维‑1进行酸刻蚀，得到Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维‑2；f.将所述Fe、N共掺杂的碳纳米纤维‑2再次进行600℃‑1400℃高温处理，得到Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维材料。
【技术特征摘要】
1.一种Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维的制备方法，所述方法包括如下步骤: a.将碳纳米纤维，稀释于水，获得备用碳纳米纤维溶液； b.向所述备用碳纳米纤维溶液中加入吡咯，超声、搅拌均匀后，滴入三价铁离子溶液，使吡咯充分聚合，获得包裹了聚吡咯的碳纳米纤维； c.将所述包裹了聚吡咯的碳纳米纤维浸泡在铁离子溶液中，过滤后烘干，获得铁/聚吡咯包裹的碳纳米纤维； d.将所述铁/聚吡咯包裹的碳纳米纤维进行初次600°C-1400°C高温处理，得到Fe、N共掺杂的碳纳米纤维-1 ； e.将所述Fe、N共掺杂的碳纳米纤维_1进行酸刻蚀,得到Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维-2 ； f.将所述Fe、N共掺杂的碳纳米纤维-2再次进行600°C-1400°C高温处理，得到Fe、N共掺杂多孔碳纳米纤维材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:步骤b中所述铁离子溶液为Fe3+溶液，优选为Fe (NO3)3或FeCl3。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:步骤b中所述吡咯的聚合时间为2-6h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：俞书宏，吴振禹，许星星，胡必成，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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