一种立方Co-N-C纳米囊泡微结构组装体电催化剂的制备方法技术

本发明专利技术是一种合成立方Co‑N‑C纳米囊泡微结构组装体的方法。其方法是：以黄色的粉末g‑C3N4为碳源和氮源，加入醋酸钴，将两者进行研磨混合，然后将混合物放到管式炉中进行高温煅烧，最终利用酸洗即可得到产物立方Co‑N‑C纳米囊泡微结构组装体。采用本发明专利技术制备的立方Co‑N‑C纳米囊泡微结构组装体，其囊泡大小为20‑60nm，立方组装体长度为1.5‑2μm，本发明专利技术制备的立方Co‑N‑C纳米囊泡微结构组装体具有优异的电催化氧还原性能、产品成本低、易控制、均匀性高、重复性好、可大规模生产等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于立方Co、N掺杂的石墨相碳(Co-N-C)的纳米结构制备以及氧还原性能应用
，特别是提供一种立方Co-N-C纳米囊泡微结构组装体电催化剂的制备方法。
技术介绍
聚合物电解质膜燃料电池能够通过电化学反应高效率的将化学能转化为电能，由于其燃料来源可再生、能量密度高、储存方便等优势，因此可以适用于电动车等领域。然而阴极催化氧气还原的催化剂一般都是利用贵金属Pt，该种类的催化剂虽然具有高效的氧还原性能，但是价格十分昂贵，这将是限制燃料电池规模化生产的一个重要因素。因此需要寻找相对经济并且具有高效催化活性的催化剂，在众多的催化剂中，碳材料由于具有良好的催化活性、低廉的价格以及丰富的来源，因此用碳材料来替代商业的Pt/C是一个非常好的选择。碳材料具有很多种存在形式，也有大量的制备方法，如专利CN104709900A公开了纳米石墨烯片的合成方法；专利CN104831307A公开合成了微纳石墨烯片的合成方法；《美国化学会志》杂志(2013年，135卷8409页)公开报道了利用CVD法合成碳簇的方法。但是这些方法都存在操作繁复、产量低、不能规模化生产等缺点。通过简单的煅烧方法制备合成高产、容易实现规模化生产而同时具备优异的氧还原性能的立方Co-N-C纳米囊泡组装体材料的制备方法还没有被报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有优异氧还原性能的立方Co-N-C纳米囊泡微结构组装体电催化剂的制备方法，以提升燃料电池中阴极的催化反应活性并且减少贵金属Pt的使用。本专利技术的技术方案是通过如下方式实现的：一种立方Co-N-C纳米囊泡微结构组装体电催化剂的制备方法，以石墨化氮化碳(g-C3N4)为碳源和氮源，加入Co(CH3COO)2·4H2O为钴源，混合均匀后直接在N2条件下煅烧，结束后利用烯H2SO4处理，然后再次高温处理，即可得到立方Co-N-C纳米囊泡组装体。在上述的一种立方Co-N-C纳米囊泡微结构组装体电催化剂的制备方法包括以下步骤：(1)g-C3N4的制备：称取5-15g三聚氰胺，放到坩埚中，并将坩埚用盖子盖住，然后将坩埚放入马弗炉里煅烧，煅烧温度为450-650℃，升温时间为1-3小时，保温时间为1-3小时，等马弗炉自然降温后即可得到黄色块状粉末g-C3N4；(2)立方Co-N-C纳米囊泡微结构组装体的制备：取上述制备的g-C3N40.05-0.2g，放到研钵里，然后Co(CH3COO)2·4H2O固体0.05-0.8g也放入研钵中，经过一段时间的研磨将固体混合均匀，然后将混合均匀的固体放入石英罐中，并用盖子盖紧，随后将石英罐放入到管式炉里煅烧，煅烧气氛为N2，煅烧温度为400-600℃，升温时间为2-6小时，保温时间为2-6小时，称取该固体50-150mg分散到浓度为0.5-1.5M的H2SO4溶液中，放在室温中浸泡6-18小时，随后用蒸馏水和无水乙醇分别洗涤3次，60℃干燥箱中烘干；最后对用硫酸处理过的产物进行二次煅烧，煅烧气氛为N2，煅烧温度为700-900℃，升温时间为2-6小时，保温时间为1-3小时后即可得到立方Co-N-C纳米囊泡微结构组装体。采用本专利技术所制备的立方Co-N-C纳米囊泡组装体，其中囊泡的大小为20-60nm，组装体的长度为1.5-2μm。本专利技术制备的立方Co-N-C纳米囊泡组装体具有产品成本低、易控制、均匀性高、重复性好、可大规模生产等特点。附图说明图1是荷兰飞利浦公司PW3040/60型X-射线衍射仪所测的实施例1，2，3中制备的立方Co-N-C纳米囊泡组装体以及g-C3N4的X-射线衍射图，其中：横坐标X是衍射角度(2θ)，纵坐标Y是相对衍射强度。图2是日本日立公司S-4800型场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观测实施例1中制备的立方Co-N-C-0.1纳米囊泡组装体的形貌图。图3是日本日立公司S-4800型场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观测实施例1中制备的立方Co-N-C-0.2纳米囊泡组装体的形貌图。图4是日本日立公司S-4800型场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观测实施例1中制备的立方Co-N-C-0.4纳米囊泡组装体的形貌图。图5、6、7是日本电子株式会社JEM-2100F型透射电子显微镜(TEM)观测到的实施例3中制备的立方Co-N-C-0.4纳米囊泡组装体内部结构像。图8是是日本岛津KratosAXISUltraDLD型X射线光电子能谱仪(XPS)测试得到的实施例3中制备的立方Co-N-C-0.4纳米囊泡组装体的元素。图9是美国Pine公司GamryInstrumentsRDE710型旋转圆盘以及MetrohmPGSTAT101双恒电位仪测试立方Co-N-C-0.4纳米囊泡组装体和商业化Pt/C电化学性能得到的线性伏安图。图10是美国Pine公司GamryInstrumentsRDE710型旋转圆盘以及MetrohmPGSTAT101双恒电位仪测试立方Co-N-C-0.4纳米囊泡组装体和商业化Pt/C电化学性能得到的循环伏安图。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术中制备立方Co-N-C纳米囊泡微结构组装体的方法做出进一步的具体说明。实施例1称取10g三聚氰胺，放到坩埚中，并将坩埚用盖子盖紧，然后将坩埚放入马弗炉里煅烧，煅烧温度为550℃，升温时间为2小时，保温时间为2小时，等马弗炉自然降温后即可得到黄色块状粉末g-C3N4。取上述制备的g-C3N40.1g，放到研钵里，然后Co(CH3COO)2·4H2O固体0.1g也放入研钵中，经过一段时间的研磨将固体混合均匀，然后将混合均匀的固体放入石英罐中，并用盖子盖紧，随后将石英罐放入到管式炉里煅烧，煅烧气氛为N2，煅烧温度为500℃，升温时间为4小时，保温时间为4小时，等管式炉自然降温后得到黑色的固体，称取该固体100mg分散到1M的H2SO4溶液中，放在室温中浸泡12小时，随后用蒸馏水和无水乙醇分别洗涤3次，60℃干燥箱中烘干。最后对用硫酸处理过的产物进行二次煅烧，煅烧气氛为N2，煅烧温度为800℃，升温时间为4小时，保温时间为2小时，即可得到立方Co-N-C-0.1(0.1表示醋酸钴的用量)纳米囊泡微结构组装体。对于本实施例中制备的g-C3N4，立方Co-N-C-0.1纳米囊泡微结构组装体做X-射线衍射分析，结果如图1所示，其横坐标X是衍射角度(2θ)，纵坐标Y是相对衍射强度，图中C3N4在27.5°的衍射峰与其层之间的堆积距离为0.326nm相符，该峰的指标为(002)，立方Co-N-C-0.1纳米囊泡组装体在26.5°处的射峰是碳的(002)面，而其他的三个峰可以按照立方结构(Cubic)指标化成(111)(200)(220)，与国际标准粉末XRD衍射卡片中的JCPDS，15-0806相一致。对于本实施例中制备的立方Co-N-C-0.1纳米囊泡微结构组装体做场发射扫描电镜分析，得到的电镜照片如图2所示，可以看出产品为纳米囊泡组装结构，表面可以明显看出囊泡状，形貌尺寸均匀。实施例2取上述制备的g-C3N40.1g，放到研钵里，然后Co(CH3COO)2·4H2O固体0.2g也放入研钵中，经过一段时间的研磨将固体混合均匀，然后将混合均匀的固体放入石英罐中，并用盖子盖紧，随本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种立方Co‑N‑C纳米囊泡微结构组装体电催化剂的制备方法，其特征在于以石墨化氮化碳(g‑C3N4)为碳源和氮源，以Co(CH3COO)2·4H2O为钴源，混合均匀后在N2条件下煅烧，结束后利用烯H2SO4处理，然后再次高温处理，即可得到立方Co‑N‑C纳米囊泡组装体。

【技术特征摘要】
1.一种立方Co-N-C纳米囊泡微结构组装体电催化剂的制备方法，其特征在于以石墨化氮化碳(g-C3N4)为碳源和氮源，以Co(CH3COO)2·4H2O为钴源，混合均匀后在N2条件下煅烧，结束后利用烯H2SO4处理，然后再次高温处理，即可得到立方Co-N-C纳米囊泡组装体。2.根据权利要求1所述的一种立方Co-N-C纳米囊泡微结构组装体电催化剂的制备方法，其特征在于所述的一种立方Co-N-C纳米囊泡微结构组装体电催化剂的制备方法包括以下步骤：(1)g-C3N4的制备：称取5-15g三聚氰胺，放到坩埚中，并将坩埚用盖子盖住，然后将坩埚放入马弗炉里煅烧，煅烧温度为450-650℃，升温时间为1-3小时，保温时间为1-3小时，等马弗炉自然降温后即可得到黄色块状粉末g-C3N4；(2)立方Co...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡勇，胡恩来，沈峻岭，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33