一种金属硫化物负载型介孔碳催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种金属硫化物负载型介孔碳催化剂及其制备方法与应用，制备方法包括以下步骤：1)将苯胺、吡咯及曲拉通X‑100加入至水中，并混合均匀；2)加入过渡金属盐，并混合均匀；3)加入过硫酸铵水溶液，之后进行低温聚合反应，后经蒸发、干燥，得到中间产物；4)对中间产物进行高温热处理，后经洗涤、过滤、干燥，即得到金属硫化物负载型介孔碳催化剂；该催化剂作为燃料电池阴极催化剂，用于催化氧还原反应。与现有技术相比，本发明专利技术制备方法操作简单，成本较低，便于实现大规模工业化生产；制备得到的催化剂具有高效的氧还原催化性能及稳定性，可用作燃料电池中的阴极催化剂。

【技术实现步骤摘要】
一种金属硫化物负载型介孔碳催化剂及其制备方法与应用
本专利技术属于燃料电池
，涉及一种金属硫化物负载型介孔碳催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
燃料电池(Fuelcell)是一种绿色、高效的能源转换装置，且不受热力学卡诺定律所限制，在未来无论是家庭、企业用电还是航空航天领域等方面都具有着巨大的潜在应用价值，因此，发展燃料电池是科技和社会发展的一个重要战略和目标。燃料电池中，阴极所对应的氧还原反应(OxygenReductionReaction，ORR)的反应机理较为复杂且反应过程缓慢，因此整个过程需要高效的催化剂。目前主要使用的铂基催化剂在催化氧还原反应的过程中展现出了优异的活性，但是铂属于贵金属元素，使用成本较高，制约了燃料电池的发展。因此，研究和开发低廉、高效的燃料电池氧还原催化剂替代铂基催化剂非常重要。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种金属硫化物负载型介孔碳催化剂及其制备方法与应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种金属硫化物负载型介孔碳催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：1)将苯胺、吡咯及曲拉通X-100加入至水中，并混合均匀；2)加入过渡金属盐，并混合均匀；3)加入过硫酸铵水溶液，之后进行低温聚合反应，后经蒸发、干燥，得到中间产物；4)对中间产物进行高温热处理，后经洗涤、过滤、干燥，即得到所述的金属硫化物负载型介孔碳催化剂。进一步地，步骤1)中，所述的苯胺、吡咯及曲拉通X-100的摩尔比为100:90-110:4-10，并且每100mL水中加入0.5-1mL苯胺。进一步地，步骤2)中，所述的过渡金属盐为过渡金属的硝酸盐或氯化盐，所述的过渡金属包括Fe、Co或Ni中的一种或两种。作为优选的技术方案，所述的过渡金属盐在步骤1)中的混合液中的浓度为0.03-0.035mmol/mL。进一步地，步骤3)中，所述的过硫酸铵水溶液的浓度为0.05-0.075g/mL，并且所述的过硫酸铵水溶液与步骤1)中的水的体积比为1:3-4。过硫酸铵水溶液既作为低温聚合反应的引发剂，又作为金属硫化物的硫源。进一步地，步骤3)中，所述的低温聚合反应中，反应温度为3-5℃，反应时间为24-72h。进一步地，步骤3)中，所述的蒸发过程在旋转蒸发仪中进行，所述的旋转蒸发仪的水浴温度为90-95℃，蒸发瓶内的负压为0.2-0.3MPa。进一步地，步骤4)中，所述的高温热处理过程在管式炉中进行，并通入惰性气体进行保护。作为优选的技术方案，所述的惰性气体为氮气或氩气。进一步地，步骤4)中，所述的高温热处理过程为：从室温开始，以3-5℃/min的速率升温至800-1200℃，之后再恒温热处理2-3h。一种金属硫化物负载型介孔碳催化剂，该催化剂采用所述的方法制备而成。一种金属硫化物负载型介孔碳催化剂的应用，所述的催化剂作为燃料电池阴极催化剂，用于催化氧还原反应。本专利技术中，苯胺和吡咯为合成聚合物的单体，并为最终金属硫化物负载型介孔碳催化剂提供碳源；曲拉通X-100为乳化剂，有利于苯胺和吡咯分子分布在曲拉通X-100的不同位置而更利于共聚合及形成孔结构。低温聚合反应中，苯胺和吡咯单体共聚合形成聚合物球，该聚合物球在后续热处理过程中形成介孔碳材料；高温热处理的目的是使苯胺和吡咯的共聚合物在惰性气氛下裂解形成介孔碳材料，同时过硫酸铵和铁源、钴源反应生成金属硫化物。与现有技术相比，本专利技术具有以下特点：1)制备得到的催化剂具有高效的氧还原反应催化性能和优异的稳定性，且成本低，可替代铂基催化剂，用于燃料电池阴极氧还原反应中；2)催化剂的制备过程操作简单，且负载的金属硫化物可控，便于实现大规模工业化生产。附图说明图1为实施例1中制备得到的介孔碳催化剂的扫描电镜图图谱；图2为实施例1中制备得到的介孔碳催化剂的透射电镜图谱；图3为实施例1中制备得到的介孔碳催化剂的XRD图谱；图4为实施例1中制备得到的介孔碳催化剂的N2吸附脱附等温线图谱；图5为实施例1-5中制备得到的介孔碳催化剂和商用Pt/C催化剂的电催化氧还原性能测试图谱；图6为实施例1中制备得到的介孔碳催化剂和商用Pt/C催化剂的催化稳定性测试图谱。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1：(1)将0.4mL苯胺、0.3mL吡咯和0.06mL曲拉通X-100加入到60mL去离子水中，超声，获得均匀的混合液；(2)将1mmol九水硝酸铁和1mmol六水硝酸钴加入到步骤(1)中的混合液中，搅拌得到新的混合液；(3)将20mL浓度为0.05g/mL的过硫酸铵水溶液加入到步骤(2)中的混合液中，随后立刻将此混合液置于3℃下聚合24h，聚合反应完成之后的混合液用旋转蒸发仪(蒸发温度90℃，瓶内负压为0.2MPa)蒸发掉多余水分并干燥，得到黑色的中间产物；(4)将步骤(3)中所得黑色中间产物在氮气保护下，置于管式炉中并在1000℃下进行高温热处理3h，升温速率为5℃/min；(5)将步骤(4)中所得最终产物用去离子水充分洗涤，过滤干燥，得到金属硫化物负载型介孔碳催化剂，将其命名为Fe0.5Co0.5S-1000@NS-MC。实施例2：(1)将0.4mL苯胺、0.3mL吡咯和0.06mL曲拉通X-100加入到60mL去离子水中，超声，获得均匀的混合液；(2)将2mmol九水硝酸铁加入到步骤(1)中的混合液中，搅拌得到新的混合液；(3)将20mL浓度为0.05g/mL的过硫酸铵水溶液加入到步骤(2)中的混合液中，随后立刻将此混合液置于3℃下聚合24h，聚合反应完成之后的混合液用旋转蒸发仪(蒸发温度90℃，瓶内负压为0.2MPa)蒸发掉多余水分并干燥，得到黑色的中间产物；(4)将步骤(3)中所得黑色中间产物在氮气保护下，置于管式炉中并在1000℃下进行高温热处理3h，升温速率为5℃/min；(5)将步骤(4)中所得最终产物用去离子水充分洗涤，过滤干燥，得到金属硫化物负载型介孔碳催化剂，将其命名为FeS-1000@NS-MC。实施例3：(1)将0.4mL苯胺、0.3mL吡咯和0.06mL曲拉通X-100加入到60mL去离子水中，超声，获得均匀的混合液；(2)将0.5mmol九水硝酸铁和1.5mmol六水硝酸钴加入到步骤(1)中的混合液中，搅拌得到新的混合液；(3)将20mL浓度为0.05g/mL的过硫酸铵水溶液加入到步骤(2)中的混合液中，随后立刻将此混合液置于3℃下聚合24h，聚合反应完成之后的混合液用旋转蒸发仪(蒸发温度90℃，瓶内负压为0.2MPa)蒸发掉多余水分并干燥，得到黑色的中间产物；(4)将步骤(3)中所得黑色中间产物在氮气保护下，置于管式炉中在1000℃下进行高温热处理3h，升温速率为5℃/min；(5)将步骤(4)中所得最终产物用去离子水充分洗涤，过滤干燥，得到金属硫化物负载型介孔碳催化剂，将其命名为Fe0.25Co0.75S-1000@NS-MC。实施例4：(1)将0.4mL苯胺、0.3mL吡咯和0.06mL曲拉通X-100加入到60mL去离子水中，超声，获得均匀的混合液；(2)将1.5mmol九本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属硫化物负载型介孔碳催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)将苯胺、吡咯及曲拉通X‑100加入至水中，并混合均匀；2)加入过渡金属盐，并混合均匀；3)加入过硫酸铵水溶液，之后进行低温聚合反应，后经蒸发、干燥，得到中间产物；4)对中间产物进行高温热处理，后经洗涤、过滤、干燥，即得到所述的金属硫化物负载型介孔碳催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种金属硫化物负载型介孔碳催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)将苯胺、吡咯及曲拉通X-100加入至水中，并混合均匀；2)加入过渡金属盐，并混合均匀；3)加入过硫酸铵水溶液，之后进行低温聚合反应，后经蒸发、干燥，得到中间产物；4)对中间产物进行高温热处理，后经洗涤、过滤、干燥，即得到所述的金属硫化物负载型介孔碳催化剂。2.根据权利要求1所述的一种金属硫化物负载型介孔碳催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的苯胺、吡咯及曲拉通X-100的摩尔比为100:90-110:4-10，并且每100mL水中加入0.5-1mL苯胺。3.根据权利要求1所述的一种金属硫化物负载型介孔碳催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的过渡金属盐为过渡金属的硝酸盐或氯化盐，所述的过渡金属包括Fe、Co或Ni中的一种或两种。4.根据权利要求1所述的一种金属硫化物负载型介孔碳催化剂的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述的过硫酸铵水溶液的浓度为0.05-0.075g/mL，并且所述的过硫酸铵水溶液与步骤1)中的水的体积比为1:3-4。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱钰方，郭大凯，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31