一种碳纳米管电催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电催化剂制备领域，具体公开了一种碳纳米管电催化剂及其制备方法和应用，通过热解核壳结构前驱体PS@FeZIF

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管电催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电催化剂制备领域，特别是一种碳纳米管电催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]燃料电池因能量转换效率高、无污染等优点成为了改善环境污染、解决能源短缺等问题的最佳选择之一，但阴极氧还原反应(ORR)迟缓的动力学进程使得燃料电池对Pt基贵金属催化剂大量依赖，Pt的价格成为阻碍燃料电池大规模商业化的主要原因。作为Pt基贵金属催化剂的替代品，氮掺杂碳材料受到了广泛的关注。因为氮、碳间电负性的差异，以及氮原子在碳矩阵中有利于ORR反应的构型，均使得此种材料具有很高的研究价值；此外，研究者发现，在氮掺杂碳材料中嵌入过渡金属可以增加材料的导电性。因此，过渡金属氮掺杂碳材料成为了研究热点之一。
[0003]近些年来，MOFs由于其独特的性质使研究者产生了极大的研究热情。作为MOFs的一种，ZIFs具有MOFs的所有优点，并且因其较高的含碳量和比表面积，配体甲基咪唑类化合物较高的含氮量，因此被视为一种制备M
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N
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C催化剂的理想前驱体。然而由于ZIFs材料的晶格尺寸受限，在高温碳化过程中，ZIFs晶体会难以避免地出现坍塌，因此直接高温热解ZIFs晶体所制得的催化剂不具备稳定的催化表现；此外前驱体中难挥发的金属组分也易在高温条件下发生团聚，遮蔽催化剂的活性位点。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种碳纳米管电催化剂及其制备方法和应用，制备的碳纳米管电催化剂更稳定，更有利物质传输，ORR活性可以与Pt催化剂相媲美。
[0005]为达到上述目的，本专利技术是按照以下技术方案实施的：
[0006]本专利技术的第一个目的是要提供一种碳纳米管电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1、制备前驱体PS@FeZIF
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8：首先取0.3000g羧基聚苯乙烯微球PS置于烧杯中，加入20mL去离子水搅拌均匀，得到溶液A；接着称取0.1566g硝酸铁九水合物和0.3458g六水合硝酸锌溶于3mL水中，超声分散5min，得到溶液B，将溶液B倒入溶液A中，充分搅拌混合，超声分散30min，得到溶液C；再称取5.5000g 2
‑
甲基咪唑溶于20mL水中，直至其完全溶解，溶液澄清透明，然后缓慢滴加进溶液C中；所得最终混合液在室温下搅拌24h，离心收集，甲醇洗涤三遍，置于干燥箱中60℃过夜真空干燥，得到淡黄色固体粉末前驱体PS@FeZIF
‑
8；
[0008]S2、制备碳纳米管电催化剂Fe
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N
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C H：将上述合成的前驱体PS@FeZIF
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8通过高温煅烧得到碳纳米管电催化剂Fe
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N
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C H。
[0009]具体地，所述步骤S2具体包括：将上述合成的前驱体PS@FeZIF
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8平铺在陶瓷方舟底部，置于管式炉中，在N2氛围下以每分钟5℃的速率升温至350℃，保持1h，接着仍以5℃每
分钟的速率升温至800℃，持续煅烧3h，直至冷却至室温；接着将所得黑色粉末置于四口瓶中，加入150mL、0.5mol/L H2SO4，过夜搅拌，抽滤并用去离子水洗涤至中性，将其放于真空干燥箱中40℃干燥，得到碳纳米管电催化剂Fe
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N
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C H。
[0010]本专利技术的第二个目的是要提供一种利用上述制备方法制得的碳纳米管电催化剂。
[0011]本专利技术的第三个目的是要提供一种碳纳米管电催化剂在燃料电池中的应用。
[0012]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0013](1)本专利技术首次通过热解核壳结构前驱体PS@FeZIF
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8得到中空、具有自生长CNTs的多孔碳纳米管电催化剂Fe
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N
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C H，且具有高效的ORR活性；该碳纳米管电催化剂Fe
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N
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C H主要由石墨化碳及Fe5C2两相构成，所含石墨碳与缺陷碳的比例相对均衡且比表面积比未加PS的Fe
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N
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C催化剂高出10倍。
[0014](2)电化学测试结果显示，本专利技术制备的碳纳米管电催化剂Fe
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N
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C H具有优于市售Pt/C催化剂的起始电位、半波电位和电流保留能力，接近四电子转移反应。
[0015](3)PS的加入使得碳纳米管电催化剂Fe
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N
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C H出现明显的CNTs，且sp2C、吡啶
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N、石墨
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N的含量比未加PS的Fe
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N
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C催化剂中有显著提高，说明其对于ORR反应活性位点的构建有较明显的促进作用。
[0016]综述，本专利技术为以改性的ZIF制备核壳结构前驱体，合成中空具有自生长CNTs的多孔碳催化剂提供了有效途径，有望取代贵金属催化剂应用在PEMFCs的阴极催化剂上。
附图说明
[0017]图1为本专利技术的碳纳米管电催化剂Fe
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N
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C H的制备流程图。
[0018]图2为前驱体PS@FeZIF
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8的SEM图。
[0019]图3为前驱体PS@FeZIF
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8与模拟ZIF
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8的XRD谱图。
[0020]图4为不同温度煅烧的得到的碳纳米管电催化剂Fe
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N
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C H的TEM图：a、700℃煅烧；b、800℃煅烧；c、900℃煅烧。
[0021]图5为800℃煅烧的得到的碳纳米管电催化剂Fe
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N
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CH的HRTEM的形貌图：a、20nm HRTEM图；b、5nm HRTEM图；c、5nm HRTEM图；d、e为扫描透射电镜STEM图所做元素分布图。
[0022]图6为不同温度煅烧的得到的碳纳米管电催化剂Fe
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N
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C H的XRD谱图：a、700℃煅烧；b、800℃煅烧；c、900℃煅烧。
[0023]图7为不同温度煅烧的得到的碳纳米管电催化剂Fe
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N
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C H的拉曼光谱：a、700℃煅烧；b、800℃煅烧；c、900℃煅烧。
[0024]图8为不同温度煅烧的得到的碳纳米管电催化剂Fe
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N
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C H的N2吸附
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脱附等温线及孔径分布图：A、N2吸附
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脱附等温线；B、孔径分布图。
[0025]图9为PS@FeZIF
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8与FeZIF
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8在1000℃下的TGA图。
[0026]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、制备前驱体PS@FeZIF
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8：首先取0.3000g羧基聚苯乙烯微球PS置于烧杯中，加入20mL去离子水搅拌均匀，得到溶液A；接着称取0.1566g硝酸铁九水合物和0.3458g六水合硝酸锌溶于3mL水中，超声分散5min，得到溶液B，将溶液B倒入溶液A中，充分搅拌混合，超声分散30min，得到溶液C；再称取5.5000g 2
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甲基咪唑溶于20mL水中，直至其完全溶解，溶液澄清透明，然后缓慢滴加进溶液C中；所得最终混合液在室温下搅拌24h，离心收集，甲醇洗涤三遍，置于干燥箱中60℃过夜真空干燥，得到淡黄色固体粉末前驱体PS@FeZIF
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8；S2、制备碳纳米管电催化剂Fe
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N
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C H：将上述合成的前驱体PS@FeZ...

【专利技术属性】
技术研发人员：金碧瑶，赵莲花，李义祺，
申请(专利权)人：延边大学，
类型：发明
国别省市：