一种基于二维石墨相氮化碳钴掺杂多孔碳材料阴极氧还原反应催化剂的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于二维石墨相氮化碳钴掺杂多孔碳材料阴极氧还原反应催化剂的制备方法，所述纳米材料活性物质为C3N4@Co

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维石墨相氮化碳钴掺杂多孔碳材料阴极氧还原反应催化剂的制备方法


[0001]本专利技术属于氧还原电催化领域，具体涉及一种基于二维石墨相氮化碳钴掺杂多孔碳材料阴极氧还原反应催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]随着全球传统能源的不断消耗，也伴随着环境污染问题的日益严重，燃料电池是一种通过化学能将燃料所具有的化学能能直接转换为电能的装置。聚合物电解质膜燃料电池（PEMFCs）具有高比能量、操作方便和绿色环保等特点，已被广泛研究。长年以来PEMFCs在很多方面取得了长足发展，性能得到大幅提高，基本已经实现商业化应用。但耐久性差和催化剂毒化是限制其商业化应用的主要瓶颈，而成本高主要是由于大量使用贵金属铂（Pt）催化剂，尤其是阴极催化剂。多孔碳基电催化剂被广泛研究用于替代资源稀缺、价格昂贵的铂基电催化剂。二维材料，和块体材料相比具有高比表面积、增强的导电性和大量暴露的活性位点。因此，二维材料是作为电催化剂，进行电催化反应的良好平台。电催化剂暴露的活性位点、表面反应分子的富集吸附状态，和表面与反应物之间的电荷转移速率是影响电催化反应选择性、反应动力学的决定性因素。g
‑
C3N4层状材料在光催化领域被广泛研究，由于其在电催化领域具有一定的应用，具有较高的化学稳定性、无毒性、无污染等优势而受到越来越多的关注，然而由于其比表面积较小，电催化性能受到一定限制，因此，本专利技术通过单宁多酚网络分子的构筑固定金属Co，从而提高电催化性能。
[0003]基于层状石墨相氮化碳的复合催化剂由于g
‑<br/>C3N4易制备、成本低、结构独特、优异的理化特性等特点，使其在电化学能量转换中具有良好的应用前景。综上所述，本文选择了层状g
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C3N4为前驱体，以单宁为连接剂，配合对苯二甲酸固定金属Co制备的复合催化剂提高催化性能，通过热解的方式尝试合成C3N4@Co
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BDC
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TA催化剂，电化学测试研究表明，该催化剂展示出了一定的氧还原性能，经过20000 s测试后，具有商业Pt/C催化剂更好的稳定性。该催化剂价格低廉，合成方法简单可作为Pt/C催化剂有前途的替代品，以为其工业化应用提供技术思路。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决现有燃料电池催化剂存在的问题，克服现有技术的缺陷，目前燃料电池催化剂普遍面临前驱体单一的障碍和合成成本的问题，以及铂基催化材料成本高和有毒性等缺陷；基于二维层状g
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C3N4材料，开发了以单宁为连接剂，配合对苯二甲酸固定金属Co形成的多孔碳材料，其具有高起始电位、半坡电位，优异的极限电流以及优良的稳定性和很好的甲醇耐受性，拥有较强的抗甲醇中毒能力等优点。
[0005]本专利技术提供的简单的热分解制备工艺合成基于二维石墨相氮化碳钴掺杂多孔碳材料阴极氧还原反应催化剂C3N4@Co
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BDC
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TA的方法，步骤如下：（1）将一定量三聚氰胺置于50 mL陶瓷坩埚（带盖）中；
（2）将坩埚于马弗炉中升温至555 ℃，自然降温，获得淡黄色粉末g
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C3N4；（3）称取400 mg步骤（2）得到淡黄色粉末g
‑
C3N4，分散在40 mL无水乙醇中进行超声，获得A液；（4）将对苯二甲酸（BDC）和六水合硝酸钴溶于10 mL TA溶液（5 mmol/L）中，获得B液；其中，对苯二甲酸的用量为0.0847 g；（5）将B液缓慢加入在50 ℃，800 rpm条件下进行磁力搅拌的A液中，持续搅拌；（6）将步骤（5）所获得的溶液在80 ℃水浴中蒸干，并在80 ℃真空干燥过夜，获得C3N4@Co
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BDC
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TA粉末；（7）将烘干产物置于氩气氛围的管式炉中进行热处理，然后自然冷却至室温，得到基于石墨相氮化碳钴掺杂多孔碳材料C3N4@Co
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BDC
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TA。
[0006]上述技术方案中，步骤（2）中马弗炉温度保持时间为4 h；上述技术方案中，步骤（3）优选超声时间为30 min；上述技术方案中，步骤（4）中对苯二甲酸（BDC）和六水合硝酸钴摩尔比为1:2.5，TA溶液的浓度为5mmol/L，制备过程为称取单宁0.8506 g，溶于100 mL去离子水中。
[0007]上述技术方案中，步骤（5）中所述的持续搅拌时间为6 h；上述技术方案中，步骤（7）中所述的热处理升温速率为2 ℃/min，温度为700
‑
900 ℃，反应时间为2 h。
[0008]所述的C3N4@Co
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BDC
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TA氧还原反应催化剂与商用Pt/C催化剂相比有以下优点：（1）采用了设备简单、操作步骤简单、绿色环保、反应条件易控的热分解方法作为催化剂的制备工艺，不仅表现出高的起始电位、半坡电位，优异的极限电流以及优良的稳定性和很好的甲醇耐受性，还拥有较强的抗甲醇中毒能力等优点。
[0009]（2）所制备的C3N4@Co
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BDC
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TA催化剂在电化学工作站测得其起始电位相对于标准氢电极可以达到0.98 V可与Pt/C相媲美，材料半坡电位0.85 V，略优于Pt/C，同时催化剂具有比Pt/C更大的极限电流密度6.3 mA cm
‑2。
[0010]（3）本专利技术制备得到的C3N4@Co
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BDC
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TA为负载Co的多孔碳材料，Co含量为2.06%，C分谱中存在C
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O结构、C=C结构，说明复合材料具有导电性良好的石墨化碳；N分谱图中主要存在吡啶N和石墨化N两种形态，其有利于电催化的进行，特别是影响碱性过程中初始电位以及电流密度；Co分谱存在Co
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N键、Co
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O键，其可促进电子在催化剂表面进行转移。
附图说明
[0011]图1为实施例1的所制备的g
‑
C3N4二维材料的电镜扫描图；图2为不同煅烧温度（700 ℃，800 ℃，900 ℃）下所得C3N4@Co
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BDC
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TA复合材料的XRD图（扫描区间：5
°‑
80
°
，步长：0.02
°
，扫描速率：1.5
°
/min）；图3为BDC/Co不同配比（1:1，1:2.5，1:5，1:7.5，1:10）下所得C3N4@Co
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BDC
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TA复合材料的XRD图（扫描区间：5
°‑
80
°
，步长：0.02
°
，扫描速率：1.5
°
/min）；图4为实施例1中700 ℃煅烧温度下所制备的C3N4@Co
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BDC
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TA复合材料的扫描电镜图和EDS能谱图；图5为实施例1中700 ℃煅烧温度下所制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维石墨相氮化碳钴掺杂多孔碳材料阴极氧还原反应催化剂的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：（1）将一定量三聚氰胺置于50 mL陶瓷坩埚中；（2）将坩埚于马弗炉中升温至555 ℃，自然降温，获得淡黄色粉末g
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C3N4；（3）称取400 mg步骤（2）得到淡黄色粉末g
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C3N4，分散在40 mL无水乙醇中进行超声，获得A液；（4）将对苯二甲酸和六水合硝酸钴溶于10 mL TA溶液中，获得B液；（5）将B液缓慢加入在50 ℃，800 rpm条件下进行磁力搅拌的A液中，持续搅拌；（6）将步骤（5）所获得的溶液在80 ℃水浴中蒸干，并在80 ℃真空干燥过夜，获得C3N4@Co
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BDC
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TA粉末；（7）将烘干产物置于氩气氛围的管式炉中进行热处理，然后自然冷却至室温，得到基...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖高，林惠影，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：