一种氮硫铁三掺杂碳黑催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种氮硫铁三掺杂碳黑催化剂及其制备方法与应用，氮、硫、铁通过高温焙烧共同掺杂到无定形碳黑中，形成Fe‑N，Fe‑S，Fe‑C，C‑S，C‑N化学键共存的微球颗粒，即为氮硫铁三掺杂碳黑催化剂。本发明专利技术制备的氮硫铁三掺杂碳黑微生物燃料电池阴极催化剂材料，利用廉价的碳黑作为碳源，得到的复合材料具有高氧还原催化活性，良好的选择性和稳定性；本发明专利技术制备的氮硫铁三掺杂碳黑用作空气阴极微生物燃料电池阴极ORR催化剂时获得了与20wt％Pt/C相当的最大输出功率；氮硫铁三掺杂碳黑在阴极的应用使得ACMFC阴极单位面积的成本下降了78.1％，这为空气阴极微生物燃料电池阴极催化剂提供了一个新的选择。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于能源材料及电化学领域，具体涉及一种氮硫铁三掺杂碳黑催化剂及其制备方法及应用。
技术介绍
微生物燃料电池(microbialfuelcell，MFC)是一种利用微生物的催化作用，将污水中有机物的化学能转化为电能的电化学装置。在MFC中，附着在阳极表面的微生物具有胞外直接传递电子的能力，能在自身新陈代谢时催化有机生物分解并释放电子和质子，电子通过外电路传递到阴极，质子通过溶液从阳极扩散到阴极，阴极氧化剂得到电子形成电池回路；空气阴极微生物燃料电池(air-cathodemicrobialfuelcell，ACMFC)是将阴极直接暴露在空气中的电池构型，空气中的氧气作为氧化剂在阴极得到电子并与质子反应生成水。然而，氧气在阴极的还原反应(oxygenreductionreaction，ORR)在无催化剂作用时，反应速率非常缓慢，这使得阴极氧还原催化剂的催化活性成为决定空气阴极微生物燃料电池产能效果的关键因素。长期以来，Pt/C因其高催化活性普遍被用作ORR催化剂，但是Pt/C价格昂贵，催化选择性和稳定性均比较差，因此，开发高效廉价的氧还原催化剂是ACMFC走向实际应用的必经之路。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种氮硫铁三掺杂碳黑催化剂及其制备方法与应用，解决了以往氧还原催化剂价格昂贵、催化活性低、选择性和稳定性差的问题，为以后空气阴极微生物燃料电池的放大和实际应用做准备。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：一种氮硫铁三掺杂碳黑催化剂，氮、硫、铁通过高温焙烧共同掺杂到无定形碳黑中，形成Fe-N，Fe-S，Fe-C，C-S，C-N化学键共存的微球颗粒，即氮硫铁三掺杂碳黑催化剂。进一步的，所述的氮硫铁三掺杂碳黑催化剂的粒径为50～100nm。一种氮硫铁三掺杂碳黑催化剂的制备方法，包括以下步骤：步骤一：将三价铁盐完全溶解于蒸馏水中；步骤二：按照三价铁盐与碳黑的质量比为(0.135～5.4):1的比例，称取碳黑加入步骤一中的溶液中，混合均匀，得到混合溶液；步骤三：将步骤二得到的混合溶液置于干燥箱中进行干燥，干燥温度为40～60℃；步骤四：在干燥后的粉末中加入含氮硫盐一起研磨1～2h，制得催化剂前体，其中，含氮硫盐与碳黑的质量比为(5～15):1；步骤五：在气氛保护下煅烧步骤二所得的催化剂前体，煅烧温度为500～1100℃，升温速率为5℃/min，煅烧时间为0.5～3h，得到微球颗粒状产物，即为氮硫铁三掺杂碳黑催化剂。进一步的，步骤一中的三价铁盐可为氯化铁，硝酸铁或硫酸铁等三价铁盐。进一步的，步骤四中的含氮硫盐为硫脲或硫氰酸铵。进一步的，所述的步骤五中的保护气氛为氩气。一种氮硫铁三掺杂碳黑催化剂用作微生物燃料电池阴极氧还原催化剂。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术方法制备的氮硫铁三掺杂碳黑微生物燃料电池阴极催化剂材料，利用廉价的碳黑作为碳源，得到的复合材料具有高氧还原催化活性，良好的选择性和稳定性；(2)本专利技术方法制备的氮硫铁三掺杂碳黑微生物燃料电池阴极催化剂材料，通过简单的焙烧即可制备；(3)本专利技术制备的氮硫铁三掺杂碳黑用作空气阴极微生物燃料电池阴极ORR催化剂时，最大输出功率为868.1mW/m2，获得了与20wt％Pt/C(894.5mW/m2)相当的最大输出功率；(4)本专利技术方法制备的氮硫铁三掺杂碳黑在阴极的应用使得ACMFC阴极单位面积的成本下降了78.1％，这为空气阴极微生物燃料电池阴极催化剂提供了一个新的选择。附图说明图1是保温时间为1h、FeCl3·6H2O质量为0.27g、硫脲与碳黑的质量比为10:1时，不同煅烧温度下制得的样品与20wt％Pt/C在室温、50mMPBS电解液中的CV曲线。图2是煅烧温度为700℃、FeCl3·6H2O质量为0.27g、硫脲与碳黑的质量比为10:1时，不同保温时间制得的样品与20wt％Pt/C在室温、50mMPBS电解液中的CV曲线。图3是煅烧温度为700℃、保温时间为1h、硫脲与碳黑的质量比为10:1时，不同质量的FeCl3·6H2O制得的样品与20wt％Pt/C在室温、50mMPBS电解液中的CV曲线。图4是煅烧温度为700℃、保温时间为1h、FeCl3·6H2O质量为0.27g时，不同质量的硫脲制得的样品与20wt％Pt/C在室温、50mMPBS电解液中的CV曲线。图5是煅烧温度为700℃、保温时间为1h、FeCl3·6H2O质量为0.27g、含氮硫盐与碳黑的质量比为10:1时，不同含氮硫盐制得的样品与20wt％Pt/C在室温、50mMPBS电解液中的CV曲线。图6是原始碳黑(C)、掺氮硫铁碳黑(NSFeDC)、掺氮硫铁石墨烯(NSFeDG)和铂碳(Pt/C)在中性电解液(50mMPBS)中的CV曲线。图7是不同阴极催化剂应用于ACMFC(启动前)的LSV曲线。图8是分别以原始碳黑(C)、NSFeDC和Pt/C(20wt％)为阴极催化剂，以无水乙酸钠为底物的ACMFC(启动后)的输出电压。图9是分别以原始碳黑(C)、NSFeDC、NSFeDG和Pt/C(20wt％)为阴极催化剂的ACMFC电池电压和功率密度曲线(空心表示电池电压，实心表示功率密度)。图10是NSFeDC和Pt/C阴极催化剂在中性电解液(50mMPBS)中有醋酸钠存在和无醋酸钠存在时的LSV曲线。图11是NSFeDC和Pt/C阴极催化剂在中性电解液(50mMPBS)中i-t曲线。图12是NSFeDC的XRD图谱。图13是NSFeDG的XRD图谱。图14是NSFeDC的N1s的高分辨XPS图谱。图15是NSFeDC的S2p的高分辨XPS图谱。图16是NSFeDC的透射扫描(TEM)照片。以下结合实施例对本专利技术的具体内容作进一步详细解释说明。具体实施方式以下给出本专利技术的具体实施例，需要说明的是本专利技术并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本专利技术的保护范围。实施例1：将0.27g的FeCl3·6H2O完全溶解于2ml的蒸馏水中，加入0.1g碳黑，混合均匀后，置于鼓风电热干燥箱中，于40℃干燥；将干燥后的粉末转移至玛瑙研钵中，并加入1g硫脲，研磨2h；将研磨好的粉末转移至灰皿中，在氩气保护下500℃下煅烧1h，制得目标催化剂。实施例2：将0.27g的FeCl3·6H2O完全溶解于2ml的蒸馏水中，加入0.1g碳黑，混合均匀后，置于鼓风电热干燥箱中，于60℃干燥；将干燥后的粉末转移至玛瑙研钵中，并加入1g硫脲，研磨2h；将研磨好的粉末转移至灰皿中，在氩气保护下700℃下煅烧1h，制得目标催化剂。实施例3：将0.27g的FeCl3·6H2O完全溶解于2ml的蒸馏水中，加入0.1g碳黑，混合均匀后，置于鼓风电热干燥箱中，于50℃干燥；将干燥后的粉末转移至玛瑙研钵中，并加入1g硫脲，研磨2h；将研磨好的粉末转移至灰皿中，在氩气保护下900℃下煅烧1h，制得目标催化剂。实施例4：本实施例与实施例2相同，区别仅在：本实施例的煅烧温度为1100℃。实施例5：本实施例与实施例2相同，区别仅在：本实施例的煅烧时间为0.5h，本实施例中将FeCl3·6H2O改为硝酸铁。实施例6：本实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮硫铁三掺杂碳黑催化剂，其特征在于，氮、硫、铁通过高温焙烧共同掺杂到无定形碳黑中，形成Fe‑N，Fe‑S，Fe‑C，C‑S，C‑N化学键共存的微球颗粒，即氮硫铁三掺杂碳黑催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种氮硫铁三掺杂碳黑催化剂，其特征在于，氮、硫、铁通过高温焙烧共同掺杂到无定形碳黑中，形成Fe-N，Fe-S，Fe-C，C-S，C-N化学键共存的微球颗粒，即氮硫铁三掺杂碳黑催化剂。2.如权利要求1所述的氮硫铁三掺杂碳黑催化剂，其特征在于，所述的氮硫铁三掺杂碳黑催化剂的粒径为50～100nm。3.一种氮硫铁三掺杂碳黑催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将三价铁盐完全溶解于蒸馏水中；步骤二：按照三价铁盐与碳黑的质量比为(0.135～5.4):1的比例，称取碳黑加入步骤一中的溶液中，混合均匀，得到混合溶液；步骤三：将步骤二得到的混合溶液置于干燥箱中进行干燥，干燥温度为40～60℃；步骤四：在干燥后的粉末中加入含氮硫盐一起研磨1～2h，制...

【专利技术属性】
技术研发人员：史昕欣，张娇娜，黄廷林，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61