一种燃料电池阴极催化剂及其制备方法和应用技术

本公开涉及一种燃料电池阴极催化剂及其制备方法和应用，以2‑氨基‑对苯二甲酸和铁盐作为原料，采用溶剂热合成方法制备金属铁‑有机框架材料，将金属铁‑有机框架材料使用N,N‑二甲基甲酰胺洗涤三次后过滤，将过滤后的沉淀干燥获得前驱体，将前驱体在550～650℃、惰性气体氛围下进行焙烧，然后进行酸处理即可获得氮铁掺杂碳纳米材料，其中，溶剂热合成方法采用的溶剂为N,N‑二甲基甲酰胺有机溶剂。该制备方法制备的氮铁掺杂碳纳米材料具有优良的氧还原催化活性、较好的起始电位和极限电流、稳定的抗甲醇性能，其电子转移数接近四电子转移途径。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池阴极催化剂及其制备方法和应用
本公开属于燃料电池
，具体涉及一种燃料电池阴极催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
这里的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然构成现有技术。鉴于人们日益增长的能源需要，新兴的能源转化装置成为研究热点。比如，新型的电化学能源转化装置对于满足人们日益增长的能源需求展现了极大的应用前景。关于现有燃料电池的研究，燃料电池的氧还原催化剂包括贵金属催化剂、非贵金属催化剂和碳基非金属催化剂等。其中贵金属催化剂主要包括铂、钯等，缺点是价格比较昂贵；非贵金属催化剂主要包括铁、钴等，缺点是稳定性比较差；申请人之前在CN108281679A中涉及了一种非金属多孔碳催化剂，这种氮掺杂碳化物虽然有着较好的稳定性但催化性能方面有一定的不足，另外，在去除残留在孔中的水分子或未反应的配体时，需要进行长时间(5±0.5h)煮沸，耗时耗能，进一步限制了其商业大规模的使用。因此，探索一种新型高效的电化学材料显得尤为重要。
技术实现思路
针对以上
技术介绍
，本公开提供一种燃料电池阴极催化剂及其制备方法和应用。与CN108281679A中的氮掺杂碳纳米材料相比，本申请制备得到的燃料电池阴极催化剂具有更加优良的氧还原催化活性、更好的起始电位和极限电流、较好的稳定性以及抗甲醇性能，其电子转移数更加接近四电子转移途径。本公开具体采用以下技术方案：首先，本公开提供了一种燃料电池阴极催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：以2-氨基-对苯二甲酸和铁盐作为原料，采用溶剂热合成方法制备金属铁-有机框架材料，将金属铁-有机框架材料置于N,N-二甲基甲酰胺中洗涤后过滤，将过滤后的沉淀干燥获得前驱体，将前驱体在550～650℃、惰性气体氛围下进行焙烧，然后进行酸处理即可获得氮铁掺杂碳纳米材料，其中，溶剂热合成方法采用的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺有机溶剂。本公开还保护采用上述方法制备得到的氮铁掺杂碳纳米材料以及其在制备燃料电池阴极催化剂中的应用。其次，提供了一种燃料电池，其特点是：采用上述氮铁掺杂碳纳米材料作为燃料电池阴极催化剂。此外，提供一种上述氮铁掺杂碳纳米材料在电催化中的应用。与本专利技术人知晓的相关技术相比，本公开其中的一个技术方案具有如下有益效果：本公开通过直接溶剂热法制备了纳米尺度金属铁-有机框架材料，并以此金属铁-有机框架材料为前驱体经过高温碳化制备了氮铁掺杂碳纳米材料催化剂材料。与之前CN108281679A中的氮掺杂碳纳米材料相比，本公开中的燃料电池阴极催化剂其催化性能更好，更加接近理想的四电子转移反应，并且也有着较好地甲醇抗性和稳定性。本公开合成的非贵金属碳材料氧还原催化剂的发展和应用在燃料电池方面有着重要的前景。而且，与CN108281679A中的氮掺杂碳纳米材料相比，制备过程耗时短，耗能低。附图说明构成本公开一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。图1为电子显微镜图片，其中，a：N-C-Fe-600前驱体的扫描电镜图，b：N-C-Fe-600的扫描电镜图，c：N-C-Fe-600前驱体的透射电镜图，d：N-C-Fe-600的透射电镜图。图2为XRD谱图，其中，a：为前驱体的XRD谱图，b：为N-C-Fe-600的XRD谱图。图3为N-C-Fe-600的高分辨XPS能谱，其中a：元素种类谱图，b：C1s的高分辨XPS能谱，c:N1s的高分辨XPS能谱，d:Fe2p的高分辨XPS能谱。图4为N-C-Fe-600的Raman谱图。图5为N-C-Fe-600的BET谱图。图6为N-C-Fe-600的前驱体的热重谱图。图7为不同温度下的材料在氧气饱和的0.1mol·L-1KOH溶液中的线性扫描曲线。图8中，a：N-C-Fe-600修饰电极在扫描速度为50mV·s-1的循环伏安曲线；b：N-C-Fe-600的在转速为1600rpm时的线性扫描曲线和环盘电极测试曲线，扫描速度为5mV·s-1；c：N-C-Fe-600在不同转速下的线性扫描曲线；d：N-C-Fe-600的Koutecky-Levich(K-L)曲线。图9为N-C-Fe-600修饰电极和商业Pt/C在氧气饱和的0.1mol·L-1KOH溶液中的稳定性测试(a)和甲醇抗性测试(b)。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。本申请所述的铁盐为溶解于水中电离出铁离子的化合物，如氯化铁、硫酸铁、硝酸铁等。本申请所述的溶剂热合成方法是指在密封的压力容器中，以N,N-二甲基甲酰胺为有机溶剂与水的混合物为溶剂,在高温高压的条件下进行的化学反应。本申请所述惰性气体是指难以与有机物或碳发生燃烧反应的气体，如氮气、氩气等。正如
技术介绍
所介绍的，现有技术中存在贵金属催化剂价格昂贵、非贵金属催化剂稳定性差的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种氮掺杂碳纳米材料的制备及其电催化氧还原的应用。正如
技术介绍
所介绍的，CN108281679A中非金属催化剂催化性能存在一定的不足，为了解决如上的技术问题，本公开提出了一种燃料电池阴极催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：以2-氨基-对苯二甲酸和铁盐作为原料，采用溶剂热合成方法制备金属铁-有机框架材料，将金属铁-有机框架材料置于N,N-二甲基甲酰胺中洗涤后过滤，将过滤后的沉淀干燥获得前驱体，将前驱体在550～650℃、惰性气体氛围下进行焙烧，然后进行酸处理即可获得氮铁掺杂碳纳米材料。其中，溶剂热合成方法采用的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。在溶剂热反应中采用不同的溶剂得到的晶体形貌有所不同。本申请选择DMF，使获得的氮铁掺杂碳纳米材料基体呈现多面体颗粒状形貌。在本公开的一个或一些具体的实施方式中，所述2-氨基-对苯二甲酸与铁盐的摩尔比为1:1。在本公开的一个或一些具体的实施方式中，所述2-氨基-对苯二甲酸与N,N-二甲基甲酰胺的添加比例为(1～2)mmol：(25～35)mL。在本公开的一个或一些具体的实施方式中，将2-氨基-对苯二甲酸与铁盐溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，将2-氨基-对苯二甲酸溶液与铁盐溶液混合后采用溶剂热合成方法进行反应。进一步的，将1.3838mmol2-氨基-对苯二甲酸和1.3838mmol铁盐溶解于30mLN,N-二甲基甲酰胺的溶液中，将2-氨基-对苯二甲酸溶液与铁盐溶液混合后采用溶剂热合成方法进行反应。在本公开的一个或一些具体的实施方式中，溶剂热合成的温度为110～130℃，合成时间为19～21h。温度高或低的话，得到材料的结晶程度不好；进一步，溶剂热合成的温度为120℃。在本公开的一个或一些具体的实施方式中，所述惰性气体为氩气。在本公开的一个或一些具体的实施方式中，所述焙烧的升温速率为2～4℃·mi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征是，该方法包括以下步骤：以2‑氨基‑对苯二甲酸和铁盐作为原料，采用溶剂热合成方法制备金属铁‑有机框架材料，将金属铁‑有机框架材料置于N,N‑二甲基甲酰胺中洗涤后过滤，将过滤后的沉淀干燥获得前驱体，将前驱体在550～650℃、惰性气体氛围下进行焙烧，然后进行酸处理即可获得氮铁掺杂碳纳米材料，其中，溶剂热合成方法采用的溶剂为N,N‑二甲基甲酰胺有机溶剂。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征是，该方法包括以下步骤：以2-氨基-对苯二甲酸和铁盐作为原料，采用溶剂热合成方法制备金属铁-有机框架材料，将金属铁-有机框架材料置于N,N-二甲基甲酰胺中洗涤后过滤，将过滤后的沉淀干燥获得前驱体，将前驱体在550～650℃、惰性气体氛围下进行焙烧，然后进行酸处理即可获得氮铁掺杂碳纳米材料，其中，溶剂热合成方法采用的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺有机溶剂。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述2-氨基-对苯二甲酸与铁盐的摩尔比为1:1；或者，所述2-氨基-对苯二甲酸与N,N-二甲基甲酰胺的添加比例为(1～2)mmol：(25～35)mL。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：将2-氨基-对苯二甲酸与铁盐溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，将2-氨基-对苯二甲酸溶液与铁盐溶液混合后采用溶剂热合成方法进行反应；进一步的，将1.3838mmol2-氨基-对苯二甲酸和1.3838mmol铁盐溶解于30mLN,N-二甲基甲酰胺的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周瑜，王宗花，张艳，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东,37