一种燃料电池氧还原电催化剂磷、氮、钴共掺杂碳材料量子点的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池氧还原电催化剂磷、氮、钴共掺杂碳材料量子点的制备方法，将三聚氰胺、焦磷酸和Co(CH3COO)4•H2O超声充分混合后转移至水热反应釜中，在1000W和2.45GHz的微波条件下在微波反应仪中反应20min，将得到的产物经冻干处理后得到粒径为5～6nm的固体粉末即燃料电池氧还原电催化剂磷、氮、钴共掺杂碳材料量子点。本发明专利技术采用的微波制备方法不需要添加其它添加剂，一步合成目标产物，具有操作简便和反应效率高的优点。

A preparation method of quantum dots for Co doped carbon materials of phosphorus, nitrogen and cobalt in a fuel cell oxygen reduction electrocatalyst

The invention discloses a preparation method of a fuel cell electrocatalyst for the reduction of oxygen, nitrogen, phosphorus, cobalt doped carbon materials, quantum dots, melamine pyrophosphate and Co (CH3COO) 4 - H2O ultrasound after mixing transferred to a hydrothermal reaction kettle, in 1000W and 2.45GHz under the condition of microwave in microwave reaction instrument in response to 20min, the obtained products were lyophilized after processing of particle size is 5 ~ 6nm solid powder fuel cell oxygen reduction electrocatalyst of phosphorus, nitrogen, CO Co doped carbon materials quantum dots. The microwave preparation method used in the invention does not need to add other additives and one step to synthesize the target product, which has the advantages of simple operation and high reaction efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池氧还原电催化剂磷、氮、钴共掺杂碳材料量子点的制备方法
本专利技术属于燃料电池催化剂的制备
，具体涉及一种燃料电池氧还原电催化剂磷、氮、钴共掺杂碳材料量子点的制备方法。
技术介绍
燃料电池技术是一种先进的能源技术，它具有能量转换效率高、环境友好及能量密度高等优点。但是燃料电池阴极的氧还原反应慢，阴极氧还原反应是影响燃料电池电催化反应速度的重要因素。因此，氧还原催化剂是燃料电池电催化研究的热点之一。目前，燃料电池的氧还原反应的催化剂基本上采用Pt基材料，因为在目前已知的金属材料中，金属铂对氧还原反应的电催化活性最高。为提高反应速率和转换效率，往往需要大量的铂来催化加速阴极的氧还原反应。由于采用铂的成本太高，严重制约了燃料电池的发展。研究开发出价格低廉、氧还原催化活性高的非贵金属催化剂来替代主流的铂基催化剂是燃料电池发展的必由之路。掺杂碳基催化剂具有氧还原催化活性高、稳定性好等特点，而且具有原料价格低廉，来源广泛等优点。因此，掺杂碳基催化剂极有可能取代铂基催化剂，有很好的应用前景。然而碳基催化剂经过长期运行其性能往往有明显的衰减。因此，如何进一步提高纳米碳催化剂的长期运行稳定性是电催化剂研究的重点之一。影响碳基催化剂活性的因素很多，如催化剂表面的微观形貌和状态、反应物和产物在催化材料中的传质特性等。其中催化剂的微观形貌和状态与制备方法密切相关，采用不同的制备方法，催化剂的形貌状态有很大的不同，从而对催化剂活性产生很大影响。微波合成法是一种通过微波加热来实现目标产物制备的方法，是一种新颖、绿色高效的合成方法，它能在短时间内迅速使前驱体发生碳化、裂解从而达到快速制备的目的。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供了一种燃料电池氧还原电催化剂磷、氮、钴共掺杂碳材料量子点的制备方法，该方法制得的碳材料量子点具有良好的燃料电池氧还原电催化活性。本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种燃料电池氧还原电催化剂磷、氮、钴共掺杂碳材料量子点的制备方法，其特征在于具体步骤为：将三聚氰胺、焦磷酸和Co(CH3COO)4•H2O超声充分混合后转移至水热反应釜中，在1000W和2.45GHz的微波条件下在微波反应仪中反应20min，将得到的产物经冻干处理后得到粒径为5～6nm的固体粉末即燃料电池氧还原电催化剂磷、氮、钴共掺杂碳材料量子点。进一步优选，所述三聚氰胺、焦磷酸和Co(CH3COO)4•H2O的投料质量比为1:1:10。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：1、本专利技术采用的微波制备方法不需要添加其它添加剂，一步合成目标产物，解决了传统方法制备过程复杂的技术问题，具有操作简便和反应效率高的优点；2、本专利技术制得的新型燃料电池催化剂与仅有氮掺杂的纳米碳催化剂相比，该类催化剂具有更高的活性，磷原子的掺杂为催化材料表面创造了更多带正电荷的位点，增强了对氧分子吸附，活化了碳共轭体系中丰富的π电子，磷、氮一起发挥了对碳材料的良好协同效应。附图说明图1是实施例1以及对比例1、对比例2中催化剂的氧还原反应极化曲线。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本专利技术上述内容实现的技术均属于本专利技术的范围。实施例1将0.01g三聚氰胺、0.01g焦磷酸和0.1gCo(CH3COO)4•H2O超声充分混合后转移至100mL的微波反应釜中，在1000W和2.45GHz的微波条件下在微波反应仪中反应20min，得到的产物经冻干处理后得到固体粉末即燃料电池氧还原电催化剂磷、氮、钴共掺杂碳材料量子点。电化学测试使用Solartron1287（SolartronAnalytical，England）型三电极体系的半电池进行。以涂有催化剂的玻碳电极为工作电极，对电极和参比电极分别为1cm2的铂片和Ag/AgCl的饱和甘汞电极，电解液为0.1MKOH水溶液。为使催化剂附着在玻碳电极上，使用二次水清洗玻碳电极并在室温下干燥。电极上薄层催化剂的制备步骤如下：取5mg催化剂加0.5mL乙醇和50μL质量浓度为5%的全氟磺酸（PFSA）溶液，超声分散约10min，用微量进样器取15μL经超声分散均匀的悬浮液涂到光洁的玻碳电极上，在室温下干燥后即可测试，电性能测试结果如图1所示。对比例1将0.01g三聚氰胺和0.05g质量浓度为37%的甲醛溶液与40mL去离子水经超声分散混合均匀配成溶液；将得到的溶液转移至高压反应釜中密封，于180℃反应6h，反应结束后自然冷却至室温；将得到的产物用去离子水洗涤直至滤液变为无色，放至真空干燥箱中于80℃干燥至恒重，然后在N2气氛下于800℃煅烧2h得到氮掺杂碳材料燃料电池催化剂。电化学测试使用Solartron1287（SolartronAnalytical，England）型三电极体系的半电池进行。以涂有催化剂的玻碳电极为工作电极，对电极和参比电极分别为1cm2的铂片和Ag/AgCl的饱和甘汞电极，电解液为0.1MKOH水溶液。为使催化剂附着在玻碳电极上，使用二次水清洗玻碳电极并在室温下干燥。电极上薄层催化剂的制备步骤如下：取5mg催化剂加0.5mL乙醇和50μL质量浓度为5%的全氟磺酸（PFSA）溶液。超声分散约10min，用微量进样器取15μL经超声分散均匀的悬浮液涂到光洁的玻碳电极上，在室温下干燥后即可测试，电性能测试结果如图1所示。对比例2取商业铂催化剂美国JM公司的20%Pt/Xc-72。电化学测试使用Solartron1287（SolartronAnalytical，England）型三电极体系的半电池进行。以涂有催化剂的玻碳电极为工作电极，对电极和参比电极分别为1cm2的铂片和Ag/AgCl的饱和甘汞电极，电解液为0.1MKOH水溶液。为使催化剂附着在玻碳电极上，使用二次水清洗玻碳电极并在室温下干燥。电极上薄层催化剂的制备步骤如下：取5mg催化剂加0.5mL乙醇和50μL质量浓度为5%的全氟磺酸（PFSA）溶液，超声分散约10min，用微量进样器取15μL经超声分散均匀的悬浮液涂到光洁的玻碳电极上，在室温下干燥后即可测试，电性能测试结果如图1所示。本专利技术所制得的燃料电池催化剂具有良好的氧还原电催化活性。综合实施例1和对比例1-2，可以看出电性能测试结果中，图1中曲线a为实施例1制备的催化剂的极化曲线，b、c分别对应对比例2、对比例1制备的催化剂的极化曲线，与对比例1-2相比，实施例1制备的磷、氮、钴共掺杂碳材料量子点极限电流和半波电位最大，说明该催化剂具有最高的氧还原催化活性；我们认为磷原子的掺杂为催化材料表面创造了更多带正电荷的位点，增强了对氧分子吸附，活化了碳共轭体系中丰富的π电子，磷、氮一起发挥了对碳材料的良好协同效应，表明本专利技术制得的燃料电池催化剂的电催化活性性能优异，是一种具有广阔应用前景的燃料电池催化剂。以上实施例描述了本专利技术的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本专利技术不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本专利技术的原理，在不脱离本专利技术原理的范围下，本专利技术还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本专利技术保护的范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池氧还原电催化剂磷、氮、钴共掺杂碳材料量子点的制备方法，其特征在于具体步骤为：将三聚氰胺、焦磷酸和Co(CH3COO)4•H2O超声充分混合后转移至水热反应釜中，在1000W和2.45GHz的微波条件下在微波反应仪中反应20min，将得到的产物经冻干处理后得到粒径为5～6nm的固体粉末即燃料电池氧还原电催化剂磷、氮、钴共掺杂碳材料量子点。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池氧还原电催化剂磷、氮、钴共掺杂碳材料量子点的制备方法，其特征在于具体步骤为：将三聚氰胺、焦磷酸和Co(CH3COO)4•H2O超声充分混合后转移至水热反应釜中，在1000W和2.45GHz的微波条件下在微波反应仪中反应20min，将得到的产物经冻干处...

【专利技术属性】
技术研发人员：白正宇，李珊珊，张庆，赖小伟，杨林，黄茹梦，房立，衡金梦，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41