一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂及制备方法，其中，制备方法包括：首先，将蛋白质加入到去离子水中，搅拌30~60分钟，得到均匀的蛋白质溶液；然后，向上述蛋白质溶液中加入导电炭黑和过渡金属盐，搅拌均匀后于120~240℃环境下，分多段加热至溶剂蒸干，得到固体混合物；之后，在惰性气氛保护下，将上述固体混合物在700~1100℃炭化1~3小时，得到炭化产物；最后，将上述炭化产物研磨后过筛，得到氧还原催化剂。该方法以蛋白质为原料制备氧还原催化剂，不仅成本低廉、环境友好，而且催化性能较好，与贵金属Pt催化剂的极限电流接近，有利于推广应用。

【技术实现步骤摘要】
一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂及制备方法
本专利技术涉及化工领域，尤其涉及一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂及制备方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池作为燃料电池的代表，能够有效地将化学能转化为电能，因具能量转换效率高，功率密度高，启动快，零排放等特点，被认为是应用前景较好的移动能源装置。但是，质子交换膜燃料电池尚未广泛应用，原因在于，其工作过程中，需使用大量的Pt基催化剂，才能完成氧还原反应。而Pt基氧还原反应催化剂的成本高、活性低和耐久性不足，限制了质子交换膜燃料电池的进一步发展和推广应用。因此，研究制备出活性和稳定性高的非贵金属氧气还原反应催化剂对于质子交换膜燃料电池的商业化应用是至关重要的。对于非贵金属催化剂的制备材料，人们的研究重点逐渐由昂贵的或有化学危害的高分子聚合物转向可再生生物质，主要体现在含氮前驱体的选择上。中国专利CN103801342A公开了一种利用动物骨头制备多空材料的方法，并应用于制备燃料电池电极催化剂，取得一定的氧还原反应性能，但是远远不能达到商业化应用的要求。然而，动物骨头不仅物理组成和化学结构复杂，合成工艺难以控制，对于催化活性的形成机理研究较为困难，不利于成本低、活性高和耐久性好，适合与商业化应用的氧气还原反应催化剂的研发。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂及制备方法，旨在解决现有的氧气还原反应催化剂的成本高、活性低和耐久性不足的问题。本专利技术的技术方案如下：一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，包括：步骤A、将蛋白质加入到去离子水中，搅拌30~60分钟，得到均匀的蛋白质溶液；步骤B、向上述蛋白质溶液中加入导电炭黑和过渡金属盐溶液，搅拌均匀后于120~240℃环境下，分多段加热至溶剂蒸干，得到固体混合物；其中，导电炭黑与蛋白质的质量比为0.5~1，过渡金属盐中的金属离子与蛋白质的质量比为0.05~0.2；步骤C、在惰性气氛保护下，将上述固体混合物在700~1100℃炭化1~3小时，得到炭化产物；步骤D、将上述炭化产物研磨后过筛，得到氧还原催化剂。所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，所述步骤B中搅拌过程为磁力搅拌6~12h。所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，所述步骤B中，每段加热时间为9~24小时。所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，所述步骤B中分三段加热，第一段加热温度为120℃、第二加热段温度为180℃、第三段加热温度为240℃。所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，步骤C中炭化温度为900~1000℃。所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，在氮气或氩气保护下进行炭化。所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，所述的蛋白质为牛血清蛋白、酪蛋白、L-半胱氨酸、赖氨酸中的一种或几种。所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，所述的过渡金属盐为氯化铁、氯化钴、氯化铜溶液中的一种或几种。所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，所述的导电炭黑的型号为EC-300J。一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，采用上述任一项技术方案所述的制备方法制得。有益效果：本专利技术以化学结构较为明确的蛋白质为前躯体制备了功能性碳材料，合成工艺简单可控，便于对其催化活性形成机理进行探究；同时，原料成本低廉且容易获取，且环境友好，有利于燃料电池氧还原催化剂的推广应用。附图说明图1为本专利技术中实施例1得到催化剂的形貌表征图，其中，a为实施例1制备的催化剂的扫描电镜图，b为实施例1制备的催化剂的透射电镜图。图2为本专利技术中实施例1得到的催化剂的电子结合能谱图。图3为本专利技术中实施例1和实施例9得到的催化剂在0.1mol/L的KOH溶液中的CV测试图。图4为本专利技术中不同催化剂在0.1mol/L的KOH溶液中的氧还原反应性能测试图。图5为本专利技术中实施例1得到的催化剂在不同载量时的氧还原反应性能测试图。图6为本专利技术中实施例1和实施例2得到的催化剂与负载量量为100μgcm-2的Pt/C催化剂的氧还原反应性能对比图。具体实施方式本专利技术提供了一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂及制备方法，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供的一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，包括：步骤A、将蛋白质加入到去离子水中，搅拌30~60分钟，得到均匀的蛋白质溶液；步骤B、向上述蛋白质溶液中加入导电炭黑和过渡金属盐溶液，搅拌均匀后于120~240℃环境下，分多段加热至溶剂蒸干，得到固体混合物；其中，导电炭黑与蛋白质的质量比为0.5~1，过渡金属盐中的金属离子与蛋白质的质量比为0.05~0.2。步骤C、在惰性气氛保护下，将上述固体混合物在700~1100℃炭化1~3小时，得到炭化产物；步骤D、将上述炭化产物研磨后过筛，得到氧还原催化剂。在步骤A中，首先将蛋白质加入到去离子水中，然后进行搅拌，为保证较好的搅拌效果，可以采用磁力搅拌装置进行搅拌操作，且搅拌速度不宜过快，以100~400rpm为宜，优选的，转速为200rpm。搅拌时间为30~60分钟，较佳的，搅拌时间优选40分钟，以获得混合均匀的蛋白质溶液。此外，加入的蛋白质可以为牛血清蛋白、酪蛋白中的一种或两种，也可以为氨基酸，如L-半胱氨酸、赖氨酸中的一种或两种，还可以为蛋白质与氨基酸中的一种或几种的混合物。采用蛋白质或氨基酸为原料为前躯体制备功能性碳材料，原料易得、成本低廉，有利于以其为原料制备低成本、高性能且环境友好的燃料电池氧还原催化剂，促进该项技术的推广应用。此外，蛋白质和氨基酸具有更明确的化学结构，表征方法多样，技术成熟，有利于探索以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的催化活性形成机理。而在众多的蛋白质和氨基酸中，选择牛血清蛋白、酪蛋白、L-半胱氨酸、赖氨酸是因为，上述蛋白质和氨基酸是较为常见、且较易获得，一方面有利于进一步降低成本，另一方面，常见的蛋白质及氨基酸的结构明确，表征方法成熟，便于高效的展开研究。在上述步骤B中，将导电炭黑和过渡金属盐溶液加入到上述蛋白质溶液中，搅拌均匀后将溶剂蒸干。其中，导电炭黑与蛋白质的质量比为0.5~1，过渡金属盐中的金属离子与蛋白质的质量比为0.05~0.2。这是因为，导电炭黑的作用是一方面是作为活性组分的载体，另一方面是增加催化剂的导电性，用量为蛋白质质量的0.5~1倍有利于获得较好的导电效果，且本专利技术优选的导电炭黑型号为EC-300J，用量为蛋白质加入量的0.7倍。过渡金属以过渡金属盐溶液的方式加入到上述混合物中，过渡金属盐溶液可以选择氯化铁、氯化钴、氯化铜溶液中的一种或几种，这是因为，在引入过渡金属的同时，氯离子在煅烧的过程中转化为氯化氢而挥发，不会对催化剂组成产生影响。作为催化剂的活性组分，为保证其在载体表面有较高的分散度，活性组分的负载量不易过多，选择过渡金属盐中的金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，包括：步骤A、将蛋白质加入到去离子水中，搅拌30~60分钟，得到均匀的蛋白质溶液；步骤B、向上述蛋白质溶液中加入导电炭黑和过渡金属盐溶液，搅拌均匀后于120~240℃环境下，分多段加热至溶剂蒸干，得到固体混合物；其中，导电炭黑与蛋白质的质量比为0.5~1，过渡金属盐中的金属离子与蛋白质的质量比为0.05~0.2；步骤C、在惰性气氛保护下，将上述固体混合物在700~1100℃炭化1~3小时，得到炭化产物；步骤D、将上述炭化产物研磨后过筛，得到氧还原催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，包括：步骤A、将蛋白质加入到去离子水中，搅拌30~60分钟，得到均匀的蛋白质溶液；步骤B、向上述蛋白质溶液中加入导电炭黑和过渡金属盐溶液，搅拌均匀后于120~240℃环境下，分多段加热至溶剂蒸干，得到固体混合物；其中，导电炭黑与蛋白质的质量比为0.5~1，过渡金属盐中的金属离子与蛋白质的质量比为0.05~0.2；步骤C、在惰性气氛保护下，将上述固体混合物在700~1100℃炭化1~3小时，得到炭化产物；步骤D、将上述炭化产物研磨后过筛，得到氧还原催化剂。2.根据权利要求1所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤B中搅拌过程为磁力搅拌6~12h。3.根据权利要求1所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤B中，每段加热时间为9~24小时。4.根据权利要求1所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：何传新，刘金鑫，范梁栋，张黔玲，刘剑洪，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44