一种同轴碳纳米管/多金属氧酸盐/导电聚合物电催化剂及制备方法技术

本发明专利技术属于电催化剂制备领域，涉及一种同轴碳纳米管/多金属氧酸盐/导电聚合物电催化剂的制备方法，包括：以可溶性金属盐作为金属源，双磷酸酯衍生物为配体，进行水热或溶剂热反应，洗涤、离心、干燥，得到多金属盐酸盐POM；将表面活性剂对内层碳管载体进行处理，得到改性内层碳管载体；将所述改性内层碳管载体浸渍在所述多金属盐酸盐POM溶液中，洗涤、离心、干燥，得到碳管@POMs纳米管；将所述碳管@POMs纳米管加入到导电聚合物前驱体的溶液中，在强氧化剂存在的条件下，进行反应，即得。本发明专利技术构建一种同轴纳米电缆结构的复合材料，将POMs夹于两层导电碳材料之间，该结构将大大改善材料的传质性能，同时保证POMs稳定性和暴露充足的反应活性位点。应活性位点。应活性位点。

【技术实现步骤摘要】
一种同轴碳纳米管/多金属氧酸盐/导电聚合物电催化剂及制备方法


[0001]本专利技术属于电催化剂制备领域，具体涉及一种同轴碳纳米管/多金属氧酸盐/导电聚合物电催化剂及制备方法。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]随着传统能源的枯竭，新能源、新材料的研发早已受到人们的广泛关注与深入研究。新能源汽车起步较晚，价格居高不下。其中电堆中的催化剂和质子膜是成本高的主要原因。电池反应中阴极的氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)动力学过程缓慢，导致其对催化剂要求更高且用量更大(占总催化剂量的80％)。因此，对ORR催化剂的研究是燃料电池研究领域最为重要的方向之一。传统的阴极催化剂主要为贵金属铂(Pt)及其合金材料，但其价格昂贵、耐久性差，很大程度上限制了燃料电池的应用。因此，人们还需要在该领域进行更加深入的探索，研究更廉价、高效、稳定的ORR催化剂材料。早期，研究人员主要通过提高催化剂中铂的原子利用率来大幅度降低贵金属的用量。这些方法虽然被证明是行之有效的，但随着汽车产业的快速发展，铂需求量依旧会带来巨大压力。因此，为进一步降低成本，越来越多的研究者把目光投向了另一种方法：开发具有高催化效果的非贵金属类催化剂。
[0004]在众多非金属催化剂中，多金属氧酸盐(POM)因其丰富多样的组成和结构和独特的物化性质(氧化还原、电活性、光活性等)，目前已被广泛应用于催化、材料科学领域。POMs在提高催化剂性能方面展现出巨大潜力的同时，也表现出相应的缺陷。其稳定性较差，大多数POMs极易溶于极性溶剂；比表面积较小、导电性差，这大大限制了其应用。

技术实现思路

[0005]基于传统多酸盐基材料存在的包覆传质差、活性位点暴露不充分、多酸易溶脱的问题，本专利技术的目的是提供一种基于多金属氧酸盐的同轴碳管/多金属氧酸盐/导电聚合物纳米电缆材料的制备方法，通过该方法制备的材料具有以下优点：(1)结构更牢固。内外两层碳层为POMs提供双重物理屏障，充分保证了多酸盐的稳定性；(2)导电性加强。内外双层导电碳层有利于电子从反应界面到电极表面的快速传递；(3)比表面积大，传质效率高。纳米电缆的内部中空结构和多相界面增大了催化反应的表面积，同时为电解质、气体和反应物提供更多的扩散通道。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术的第一个方面，提供了一种同轴碳纳米管/多金属氧酸盐/导电聚合物电催化剂的制备方法，包括：
[0008]以可溶性金属盐作为金属源，双磷酸酯衍生物为配体，进行水热或溶剂热反应，洗涤、离心、干燥，得到多金属盐酸盐POM；
[0009]将表面活性剂对内层碳管载体进行处理，得到改性内层碳管载体；
[0010]将所述改性内层碳管载体浸渍在所述多金属盐酸盐POM溶液中，洗涤、离心、干燥，得到碳管@POMs纳米管；
[0011]将所述碳管@POMs纳米管加入到导电聚合物前驱体的溶液中，在强氧化剂存在的条件下，进行反应，即得。
[0012]本专利技术探索了一种有效的制备方法实现了多酸盐的有效固定及保护，构建了一种同轴纳米电缆结构的复合材料，由此，本专利技术将POMs夹于两层导电碳材料之间，该结构将大大改善材料的传质性能，同时保证POMs稳定性和暴露充足的反应活性位点。
[0013]本专利技术的第二个方面，提供了上述的方法制备的同轴碳纳米管/多金属氧酸盐/导电聚合物电催化剂。
[0014]本专利技术的有益效果在于：
[0015]本专利技术所述的将POMs以纳米片形式包于两多孔导电碳层之间形成的纳米电缆结构使得材料具有以下优点：
[0016](1)结构更牢固。内外两层碳层为POMs提供双重物理屏障，充分保证了多酸盐的稳定性；
[0017](2)导电性加强。内外双层导电碳层有利于电子从反应界面到电极表面的快速传递；
[0018](3)比表面积大，传质效率高。纳米电缆的内部中空结构和多相界面增大了催化反应的表面积，同时为电解质、气体和反应物提供更多的扩散通道。
[0019](4)本专利技术的制备方法简单、操作方便、实用性强，易于推广。
附图说明
[0020]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0021]图1实施例1所制备样品的同轴材料的扫描电镜图。
[0022]图2实施例2所制备样品的同轴材料的扫描电镜图。
[0023]图3实施例3所制备样品的同轴材料的扫描电镜图。
[0024]图4实施例1、实施例2、实施例3所制备样品的电催化ORR的LSV曲线。
具体实施方式
[0025]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0026]一种同轴碳纳米管/多金属氧酸盐/导电聚合物电催化剂及制备方法，具体包括以下步骤：
[0027](1)多金属盐酸盐(POM)的制备：采用水热或溶剂热法，以可溶性金属盐作为金属源，选择高螯合度和低螯合度的双磷酸酯衍生物(连接氨基吡啶有机片段)作为配体，去离
子水与有机溶剂混合液作为反应溶液，用pH调节剂(如HCl或NaOH)调节混合液的酸碱性后进行水热或溶剂热反应。将产物离心、洗涤、干燥。
[0028](2)碳管@POMs纳米管阵列的制备:选取适宜的内层碳管载体，以上述制备的一定浓度的多酸盐为反应起始物，以有机溶液作为表面活性剂和包覆剂，利用自组装法制备POMs纳米片再与碳管通过浸渍法经静电作用复合。将产物离心、洗涤、干燥。
[0029](3)碳管@POMs@导电聚合物纳米电缆的制备：采用原位聚合法，利用上述碳管@POMs纳米管为模板，以导电聚合物前驱体为碳源制备纳米电缆材料。将上述制备的碳管@POMs纳米管放入含有碳源的盐酸溶液中，加入强氧化剂，在特定温度下反应一段时间。将产物离心、洗涤、干燥。
[0030]在一些实施例中，步骤一中所述的可溶性金属盐可以是钴、铁、镍盐。
[0031]在一些实施例中，步骤一中所述的有机溶剂可以是乙醇或乙醚。
[0032]在一些实施例中，步骤一中所述的pH一般为5
‑
8之间。
[0033]在一些实施例中，步骤二中所述的内层碳管载体可以是聚吡咯管、一维MOF管或碳纳米管。
[0034]在一些实施例中，步骤二中所述的表面活性剂可以是四丁基溴化铵、十六烷基溴化铵、十四烷基三甲基胺、PDDA(聚二烯丙基二甲基氯化铵)一种。
[0035]在一些实施例中，步骤三中所述的导电聚合物前驱体可以是苯胺、多巴胺、吡咯中一种。
[0036]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同轴碳纳米管/多金属氧酸盐/导电聚合物电催化剂的制备方法，其特征在于，包括：以可溶性金属盐作为金属源，双磷酸酯衍生物为配体，进行水热或溶剂热反应，洗涤、离心、干燥，得到多金属盐酸盐POM；将表面活性剂对内层碳管载体进行处理，得到改性内层碳管载体；将所述改性内层碳管载体浸渍在所述多金属盐酸盐POM溶液中，洗涤、离心、干燥，得到碳管@POMs纳米管；将所述碳管@POMs纳米管加入到导电聚合物前驱体的溶液中，在强氧化剂存在的条件下，进行反应，即得。2.如权利要求1所述的同轴碳纳米管/多金属氧酸盐/导电聚合物电催化剂的制备方法，其特征在于，所述可溶性金属盐为钴、铁、镍盐中的至少一种。3.如权利要求1所述的同轴碳纳米管/多金属氧酸盐/导电聚合物电催化剂的制备方法，其特征在于，所述溶剂热反应的溶剂是乙醇或乙醚。4.如权利要求1所述的同轴碳纳米管/多金属氧酸盐/导电聚合物电催化剂的制备方法，其特征在于，所述内层碳管载体为聚吡咯管、一维MOF管或碳纳米管。5.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：张双双，杜佳佳，辛子玥，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：