一种六角纳米片状燃料电池氧还原催化剂的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种六角纳米片状燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，包括：步骤1：称取650‑750重量份2‑甲基咪唑溶于甲醇中，称取550‑650重量份硝酸锌、20‑30重量份硝酸铁溶于相同量的甲醇中，将所得的两种溶液混合，升温至50‑60℃，搅拌24‑30h，冷却后，离心分离，随后用乙醇洗涤，干燥，得到Fe/N/C催化剂前体；步骤2：将Fe/N/C催化剂前体研磨后置于管式炉中，在N2或惰性气体保护下，升温到900‑1000℃温度下煅烧2‑6h，从初始温度升温至煅烧温度的升温速率为2‑5℃/min，得到六角纳米片状燃料电池氧还原催化剂。本发明专利技术可用作性能优异的质子交换膜燃料电池阴极催化剂，具有较高催化活性和良好的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种六角纳米片状燃料电池氧还原催化剂的制备方法
本专利技术属于燃料电池领域，具体涉及一种由MOFs衍生六角纳米片状Fe/N/C燃料电池氧还原催化剂的制备方法。
技术介绍
燃料电池被认为是最高效、最清洁的能源转换装置，在该装置中不通过燃烧而是以温和的电化学过程使燃料与氧分子发生反应，因此能量的输出不受卡诺循环的限制。Pt长期以来被视为最有效的阴极、阳极催化剂，但由于Pt储量低、价格昂贵且在反应过程中稳定性差，会由于溶解、烧结和团聚等原因造成性能损失，因此Pt在燃料电池中的应用被极大限制。此外，Pt基催化剂的甲醇耐受性较差，阴极的甲醇在Pt基催化剂上氧化会产生混合电位。因此，研究开发高效廉价的电催化剂成为解决问题的关键所在[1-3]。MOFs催化剂近来已被列为有希望的一类ORR催化剂，因为MOFs具有非常高的表面积，纳米多孔结构，可调孔径和催化剂形态，结构单元中含有丰富的碳，良好的过渡金属离子中心和有机配体[4-6]。MOFs材料由于自下而上的构建过程可以在分子级层面上对其进行调控，与其他纳米催化材料相比MOFs更容易获得较大的比表面积和极高密度的催化活性位点，在这两方面上具有无可比拟的优势。MOF可以基于各种配体，即含N的大环配体，羧基配体分类[5]。由于其明显的优点，研究MOF对ORR催化的应用，2010年以来快速增长[7]。沸石咪唑酯骨架(ZIF)是ORR催化中最广泛使用的MOF材料之一[8]。ZIF系列材料，四面体结构显示出优异的化学和热稳定性以及永久性孔隙度[9-10]。总之，MOFs类材料的纳米结构的控制对其催化活性有着显著的影响。MOF纳米晶、纳米纤维、纳米线阵列的引入被用来合成具有更多的暴露活性位点，更高质量传输性能的ORR催化剂，以期得到优异的催化活性。综上所述，开发出具有较高活性的非贵金属催化剂，可以降低燃料电池成本，提高催化剂的电催化性能和稳定性，增强催化剂的抗中毒能力。这对于解决燃料电池中催化剂成本高、活性低、易中毒等问题以及燃料电池的市场化具有重要意义。本专利技术就是解决此问题。参考文献[1]LeeJ,JeongB,OconJD.Oxygenelectrocatalysisinchemicalenergyconversionandstoragetechnologies[J].CurrentAppliedPhysics,2013,13(2):309-321.[2]JohnW.Patrick.Handbookoffuelcells.Fundamentalstechnologyandapplications:WolfVielstich,ArnoldLamm,HubertA.Gasteiger(Eds.)；JohnWileyandSonsLtd,Chichester,England,2003,Vols1–4,449pages(vol.1),783pages(vol.2),1372pages(vols3and4),I[J].Fuel,2003,83(4):623-623.[3]GewirthAA,ThorumMS.ElectroreductionofDioxygenforFuel-CellApplications:MaterialsandChallenges[J].InorganicChemistry,2010,41(28):3557-3566.[4]MahdiEM,TanJC.DynamicmolecularinteractionsbetweenpolyurethaneandZIF-8inapolymer-MOFnanocomposite:Microstructural,thermo-mechanicalandviscoelasticeffects[J].Polymer,2016,97:31-43.[5]LiuW,YinXB.Metal–organicframeworksforelectrochemicalapplications[J].Energy&EnvironmentalScience,2012,5(11):9269-9290.[6]XiaW,ZouR,AnL,etal.Ametal–organicframeworkroutetoinsituencapsulationofCo@Co3O4@Ccore@bishellnanoparticlesintoahighlyorderedporouscarbonmatrixforoxygenreduction[J].Energy&EnvironmentalScience,2015,8(2):568-576.[7]MaS,GoenagaGA,CallAV,etal.Cobaltimidazolateframeworkasprecursorforoxygenreductionreactionelectrocatalysts[J].Chemistry-AEuropeanJournal,2011,17(7):2063-2067.[8]ProiettiE,JaouenF,LefèvreM,etal.Iron-basedcathodecatalystwithenhancedpowerdensityinpolymerelectrolytemembranefuelcells[J].NatureCommunications,2011,2(2):416.[9]BanerjeeR,PhanA,WangB,etal.High-throughputsynthesisofzeoliticimidazolateframeworksandapplicationtoCO2capture[J].Science,2008,319(5865):939-943.[10]ChenS,ZhangJ,WuT,etal.Zinc(II)-boron(III)-imidazolateframework(ZBIF)withunusualpentagonalchannelspreparedfromdeepeutecticsolvent.[J].DaltonTransactions,2009,39(3):697-699.
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服传统的Pt/C催化剂贵金属用量大、催化剂利用率低、催化活性低等技术问题，而提供一种由MOFs衍生六角纳米片状Fe/N/C燃料电池氧还原催化剂的制备方法。本专利技术的技术原理利用2-甲基咪唑和Zn(NO3)2·6H2O合成ZIF-8，Fe(NO3)3·9H2O作为金属源，采用金属置换的方法，在高温煅烧的过程中，用Fe置换Zn，最终得到对氧还原反应有较高催化活性的六角纳米片状Fe/N/C催化剂。与常用的Pt基催化剂相比，其在碱性介质中ORR性能与商业JM20％Pt/C催化相当，具有更高的稳定性和耐甲醇性能；此外，原料价格低廉且来源丰富，制备过程简单，有利于规模化生产，具有较高的实用价值。本专利技术的技术方案：一种六角纳米片状燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，包括：步骤1：称取650-750重量份2-甲基咪唑溶于甲醇中，称取550-650重量份硝酸锌、20-30重量份硝酸铁溶于相同量的甲醇中，将所得的两种溶液混合，升温至50-60℃，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种六角纳米片状燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，包括：步骤1：称取650‑750重量份2‑甲基咪唑溶于甲醇中，称取550‑650重量份硝酸锌、20‑30重量份硝酸铁溶于相同量的甲醇中，将所得的两种溶液混合，升温至50‑60℃，搅拌24‑30h，冷却后，离心分离，随后用乙醇洗涤，干燥，得到Fe/N/C催化剂前体；步骤2：将Fe/N/C催化剂前体研磨后置于管式炉中，在N2或惰性气体保护下，升温到900‑1000℃温度下煅烧2‑6h，从初始温度升温至煅烧温度的升温速率为2‑5℃/min，得到六角纳米片状燃料电池氧还原催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种六角纳米片状燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，包括：步骤1：称取650-750重量份2-甲基咪唑溶于甲醇中，称取550-650重量份硝酸锌、20-30重量份硝酸铁溶于相同量的甲醇中，将所得的两种溶液混合，升温至50-60℃，搅拌24-30h，冷却后，离心分离，随后用乙醇洗涤，干燥，得到Fe/N/C催化剂前体；步骤2：将Fe/N/C催化剂前体研磨后置于管式炉中，在N2或惰性气体保护下，升温到900-1000℃温度下煅烧2-6h，从初始温度升温至煅烧温度的升温速率为2-5℃/min，得到六角纳米片状燃料电池氧还原催化剂。2....

【专利技术属性】
技术研发人员：李巧霞，马雨蒙，李朋伟，田明华，罗莎莎，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31