本发明专利技术公开了一种石墨碳氧还原电催化纳米材料的制备方法，包括以下步骤：(1)制备黑色固体粉末聚吡咯；(2)制备黑色含铁聚吡咯；(3)制备含铁石墨碳材料；(4)制备石墨碳氧还原电催化纳米材料，还公开了采用上述方法制得的石墨碳氧还原电催化纳米材料以及该石墨碳氧还原电催化纳米材料在燃料电池中阴极氧还原电催化方面的应用。本发明专利技术制备方法原料易得廉价，工艺简洁，便于规模化生产。制得的石墨碳氧还原电催化纳米材料在酸性、碱性条件下氧还原电催化具有较正的起始电位和半波电位、较大的极限扩散电流密度，作为氧还原催化剂在酸性、碱性条件下可稳定工作，且催化性能优异。且催化性能优异。且催化性能优异。
【技术实现步骤摘要】
一种石墨碳氧还原电催化纳米材料及其制备方法和应用
[0001]本专利技术属于能源电催化纳米材料
，具体涉及一种石墨碳氧还原电催化纳米材料及其制备方法和应用。
技术介绍
[0002]随着社会和经济的快速发展，日益加剧的能源匮乏与化石燃料消耗所引起的环境污染问题，己然变成阻碍人类与自然和谐发展的巨大障碍。为解决因使用化石能源而带来的一系列问题，减少对CO2与污染物的排放，开发清洁能源实现社会可持续发展变得至关重要。
[0003]燃料电池是在常温下通过氧气和燃料反应生成水的方式直接获取电能的化学装置。这种能量转化技术具有能量转化密度高、无污染以及大规模应用等优点，近年来成为国内外研究的热点。氧气还原反应作为燃料电池阴极上所发生的重要反应过程，但是其过高的热力学过电位与缓慢的动力学反应速率，成为制约燃料电池技术发展的关键因素。目前，商业化氧还原电催化活性是碳负载铂颗粒催化剂，催化活性高，但铂金属长时间工作会发生溶解现象，催化稳定性较差，而且地壳含量中铂金属储量稀少、价格昂贵，这严重限制了燃料电池的大规模应用。碳基材料因具有较高的电导率，良好的催化活性以及电化学稳定性等特点而受到科研工作者的广泛关注，通过杂原子掺杂到碳材料中，提高碳材料的表面缺陷，可提高氧还原电催化活性，这对燃料电池的发展具有重要意义。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于提供一种石墨碳氧还原电催化纳米材料的制备方法，该方法通过引入氮掺杂和FeCl2·
4H2O，FeCl2·
4H2O可以提高石墨碳表面缺陷，增大石墨碳材料的活性面积，且该方法原料成本低廉，工艺简洁，便于大规模应用。
[0005]本专利技术的目的还在于提供采用上述方法制备的石墨碳氧还原电催化纳米材料，该材料为碳团簇纳米粒子，在酸性、碱性条件下具有优异的氧还原电催化性能。
[0006]本专利技术的最后一个目的在于提供上述石墨碳氧还原电催化纳米材料在阴极发生氧气还原反应电催化方面的应用。
[0007]本专利技术的上述第一个目的可以通过以下技术方案来实现：一种石墨碳氧还原电催化纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)取(NH4)2S2O8和HCl混合后置于冰浴中，在搅拌条件下滴加吡咯(PY)，并在冰浴下进行聚合反应，将反应产物清洗、干燥，得到黑色固体粉末聚吡咯(PPY)；
[0009](2)取步骤(1)中的聚吡咯(PPY)和FeCl2·
4H2O，加入去离子水溶解混合，在搅拌条件下反应后干燥，得黑色含铁聚吡咯(Fe
‑
PPY)；
[0010](3)将步骤(2)中的含铁聚吡咯(Fe
‑
PPY)置于温度可编程式管式炉中进行热处理，热处理温度为600～900℃，热处理时间为1～3h，得到含铁石墨碳材料(Fe
‑
NOCs)；
[0011](4)将步骤(3)中的含铁石墨碳材料(Fe
‑
NOCs)用盐酸处理后，再用去离子水和无
水乙醇洗涤，经离心分离，取下层干燥得到黑色粉末产物，即为石墨碳氧还原电催化纳米材料(NOHCs)。
[0012]在上述石墨碳氧还原电催化纳米材料的制备方法中：
[0013]优选的，步骤(1)中所述(NH4)2S2O8与所述HCl的用量关系为0.105g：1mL，所述HCl的浓度为1mol/L。
[0014]优选的，所述吡咯(PY)与所述(NH4)2S2O8的用量关系为1μL：7mg。
[0015]本专利技术采用过硫酸铵为原料，在制备聚吡咯过程中可以掺杂进去氮。
[0016]优选的，步骤(1)中冰浴的温度为0～5℃。
[0017]优选的，步骤(1)中聚合反应时间为5小时。
[0018]优选的，步骤(1)中清洗采用去离子水、无水乙醇和40mL浓度为1mol/L的NH3·
H2O洗涤。
[0019]优选的，步骤(1)中干燥为鼓风干燥，干燥时的温度为60～80℃，干燥时间为8～12小时，烘干即可。
[0020]优选的，步骤(2)中所述聚吡咯(PPY)与所述FeCl2·
4H2O的摩尔比为1～8：1。
[0021]进一步的，步骤(2)中所述聚吡咯(PPY)与所述FeCl2·
4H2O的摩尔比为1：1、2：1、4：1或8：1。
[0022]更佳的，步骤(2)中所述聚吡咯(PPY)与所述FeCl2·
4H2O的摩尔比为2：1。
[0023]优选的，步骤(2)中搅拌为磁力搅拌，在磁力搅拌条件下反应5～7小时后干燥。
[0024]更佳的，步骤(2)中搅拌为磁力搅拌，在磁力搅拌条件下反应6小时后干燥。
[0025]优选的，步骤(2)中干燥为鼓风干燥，干燥时的温度为60～80℃，干燥时间为8～12小时，烘干即可。
[0026]优选的，步骤(3)中将含铁聚吡咯(Fe
‑
PPY)置于温度可编程式管式炉中在氩气或氮气气氛下进行热处理。
[0027]优选的，步骤(3)中热处理前先进行预热处理，预热处理包括先在30℃下以0.8～1.2℃/min的升温速率，温度升到300℃，300℃恒温180～300分钟，继续以10℃/min的升温速率升温到800℃。
[0028]更佳的，步骤(3)中热处理包括在800℃恒温热处理2h，自然冷却降到室温，得到含铁碳材料(Fe
‑
NOCs)。
[0029]优选的，步骤(3)中温度可编程式管式炉为常规市售设备，采用合肥科晶材料技术有限公司生产的型号为OTF
‑
1200X的温度可编程式管式炉为佳。
[0030]优选的，步骤(4)中所述含铁碳材料(Fe
‑
NOCs)与所述HCl的用量关系为1g：200mL，所述HCl的浓度为1mol/L。
[0031]优选的，步骤(4)中所述含铁碳材料(Fe
‑
NOCs)盐酸处理时间为24小时。
[0032]本专利技术步骤(3)中FeCl2·
4H2O经过高温之后变成Fe3C，然后在步骤(4)中采用盐酸清洗去除Fe3C，用盐酸去除Fe3C处理之后碳表面会在较多地方出现凹坑，即可以增大碳材料表面的缺陷，进而增大碳材料的活性面积，提高催化活性。
[0033]优选的，步骤(4)中干燥为鼓风干燥，干燥时的温度为60～80℃，干燥时间为8～12小时，烘干即可。
[0034]本专利技术的上述第二个目的可以通过以下技术方案来实现：一种石墨碳氧还原电催
化纳米材料，采用上述方法制备获得。
[0035]本专利技术的上述第三个目的可以通过以下技术方案来实现：上述石墨碳氧还原电催化纳米材料在燃料电池阴极氧还原方面的应用。
[0036]本专利技术具有以下优点：
[0037](1)本专利技术提供的石墨碳氧还原电催化纳米材料的制备方法，原料易得，成本低廉，制备工艺简洁，便于大规模应用；
[0038](2)本发本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种石墨碳氧还原电催化纳米材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：(1)取(NH4)2S2O8和HCl混合后置于冰浴中，在搅拌条件下滴加吡咯(PY)，并在冰浴下进行聚合反应，将反应产物清洗、干燥，得到黑色固体粉末聚吡咯(PPY)；(2)取步骤(1)中的聚吡咯(PPY)和FeCl2·
4H2O，加入去离子水溶解混合，在搅拌条件下反应后干燥，得黑色含铁聚吡咯(Fe
‑
PPY)；(3)将步骤(2)中的含铁聚吡咯(Fe
‑
PPY)置于温度可编程式管式炉中进行热处理，热处理温度为600～900℃，热处理时间为1～3h，得到含铁碳材料(Fe
‑
NOCs)；(4)将步骤(3)中的含铁碳材料(Fe
‑
NOCs)用盐酸处理后，再用去离子水和无水乙醇洗涤，经离心分离，取下层干燥得到黑色粉末产物，即为石墨碳氧还原电催化纳米材料(NOHCs)。2.根据权利要求1所述的石墨碳氧还原电催化纳米材料的制备方法，其特征是：步骤(1)中所述(NH4)2S2O8与所述HCl的用量关系为0.105g：1mL，所述HCl的浓度为1mol/L，所述吡咯(PY)与所述(NH4)2S2O8的用量关系为1μL：7mg。3.根据权利要求1所述的石墨碳氧还原电催化纳米材料的制备方法，其特征是：步骤(1)中冰浴的温度为0～5℃；步骤(1)中聚合反应时间为5小时；步骤(1)中清洗采用去离子水、无水乙醇和40mL浓度为1mol/L的NH3·
H2O洗涤，干燥为鼓风干燥，干燥时的温度为60～80℃，干燥时间为8～12小时，烘干即可。4.根据权利要求1所述的石墨碳氧还原电催化纳米...
【专利技术属性】
技术研发人员：孟玉英，谢海芳，曾大海，张鹏，李卫，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。