TiN/g-C3N4/CoSe纳米复合催化剂、其制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种TiN/g

【技术实现步骤摘要】
TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂、其制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，特别是涉及一种TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂、其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]在实现“双碳”目标的背景下，探索清洁、可持续的可再生能源替代传统的化石燃料成为目前研究的重要方向。氢能具有来源广泛、零污染和高燃烧价值的优势，是目前最受欢迎的研究对象之一。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是高效利用氢能的一种技术，可将氢能直接转化为电能，且效率高、无污染，是理想的商业化应用方式。
[0003]催化剂是PEMFC实现高效转化氢能的重要部件。目前，Pt/C是市面上应用最广泛的催化剂材料，但贵金属催化剂材料成本高，在PEMFC运行条件下耐久性差，且Pt基电催化剂易产生一氧化碳中毒致使活性降低，成为PEMFC大规模商业化面临的主要挑战。针对此类问题，此前已开发了许多不含Pt基金属的催化剂，如氧化物、硫化物和硒化物。其中，金属硒化物由于体积密度高、带隙小，表现出比氧化物或硫化物更高的体积容量和速率性能，被视为具有很好应用前景的催化剂材料。沸石型咪唑骨架(ZIFs)通过直接碳化易转化为氮掺杂的碳材料，具有更高的电子导电性和更多的活性位点，据此可以合成具有高导电性的多孔金属硒化物，改变硒化物的固有特性。
[0004]通过金属有机框架(MOFs)材料作为前驱体制备的硒化钴(CoSe)作为一种高效的催化材料在近年的电化学能量储存与转化方面得到较多的应用。目前大多数相关研究集中在硒化类型和表面添加剂的应用上，然而，由于对反应机理的研究不足，用简单方法制备ZIF衍生的硒化钴/碳复合材料的报道很少。中等带隙的石墨氮化碳(g
‑
C3N4)因其电导率和化学稳定性等独特优势，被广泛应用于析氧反应、光催化和析氢反应中作为催化剂。
[0005]过渡金属氮化物由于其较好的导电性能，被广泛应用于电催化领域，尤其是氧还原反应(ORR)的催化。氮化物的形成可以调控催化剂的电子结构，使d能带收缩以及电子密度增大，从而加快电子向氧吸附物种转移，促进活性金属对氧的还原。目前过渡金属氮化物催化剂在酸性溶液中的催化活性和稳定性相对不足，需要通过优化合成方法或利用掺杂、复合等手段进行改性。
[0006]因此，开发一种可应用于质子交换膜燃料电池的复合催化剂显得极为重要。

技术实现思路

[0007]基于此，有必要针对燃料电池的ORR催化剂主要以Pt/C为主，由此导致成本高的问题，提供一种TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂、其制备方法及应用。
[0008]一种TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂，其特征在于，包括载体及负载于所述载体表面的活性成分，所述载体为TiN，所述活性成分为g
‑
C3N4和CoSe。
[0009]作为一种优选方案，所述g
‑
C3N4的重量为所述TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂总质量的5.24～11.35％；所述CoSe的重量为所述TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂总质量的
63.24～78.91％；所述TiN的重量为所述TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂总质量的15.85～25.41％。
[0010]一种TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0011]1)制备二甲基咪唑钴；
[0012]2)在乳化剂条件下，所述二甲基咪唑钴与三聚氰胺、甲醛水溶液、尿素及二氧化钛悬浮液缩聚反应，得到TiO2/ZIF
‑
67@脲醛树脂。
[0013]3)在氮气条件下，所述TiO
2/
ZIF
‑
67@脲醛树脂与硒粉高温反应，得到TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂。
[0014]步骤2)一方面引入C、N元素，有利于g
‑
C3N4的形成；另一方面甲醛水溶液、三聚氰胺和尿素发生缩聚反应得到脲醛树脂，有利于CoSe表面掺杂g
‑
C3N4。
[0015]作为一种优选方案，所述制备二甲基咪唑钴的步骤包括：
[0016]将2
‑
甲基咪唑和六水合硝酸钴分散于溶剂中混合搅拌，然后超声处理，最后经离心、洗涤及真空干燥后，得到二甲基咪唑钴。
[0017]作为一种优选方案，所述溶剂为甲醇或乙二醇。
[0018]作为一种优选方案，所述六水合硝酸钴的浓度为0.1～1.5mol/L。
[0019]作为一种更优选方案，所述六水合硝酸钴的浓度为0.2～1.0mol/L。
[0020]作为一种优选方案，所述2
‑
甲基咪唑的浓度为0.1～2.0mol/L。
[0021]作为一种更优选方案，所述2
‑
甲基咪唑的浓度为1～1.5mol/L。
[0022]作为一种优选方案，所述六水合硝酸钴和2
‑
甲基咪唑的摩尔比为1：(2～10)。
[0023]作为一种更优选方案，所述六水合硝酸钴和2
‑
甲基咪唑的摩尔比为1：(3～6)。
[0024]作为一种优选方案，在所述制备二甲基咪唑钴的过程中以搅拌速度为200～600r/min进行搅拌。
[0025]作为一种优选方案，所述制备二甲基咪唑钴的过程中搅拌时间为10～24h。
[0026]作为一种优选方案，所述制备二甲基咪唑钴的过程中超声处理时间为10～30min。
[0027]作为一种优选方案，所述制备二甲基咪唑钴的过程中洗涤液为甲醇或乙二醇；其中，当溶剂为甲醇时，洗涤液同样为甲醇；而当溶剂为乙二醇时，洗涤液同样为乙二醇。
[0028]作为一种优选方案，所述制备二甲基咪唑钴的过程中真空干燥时间为10～24h。
[0029]作为一种优选方案，步骤2)中缩聚反应的具体操作方法包括以下步骤：
[0030]将乳化剂添加至溶剂中在室温条件下搅拌，得到混合液；
[0031]二甲基咪唑钴、甲醛水溶液、三聚氰胺、尿素和二氧化钛悬浮液依次缓慢添加至混合液中，在温度为40℃～80℃的条件下搅拌反应6～20h，得到TiO
2/
ZIF
‑
67@脲醛树脂。
[0032]作为一种优选方案，所述乳化剂为Span系列乳化剂、由Span系列与Tween系列复配而成的乳化剂或由Span系列与OP系列复配而成的乳化剂。
[0033]作为一种优选方案，所述Span系列乳化剂为Span
‑
85、Span
‑
80、Span
‑
65、Span
‑
60、Span
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂，其特征在于，包括载体及负载于所述载体表面的活性成分，所述载体为TiN，所述活性成分为g
‑
C3N4和CoSe。2.根据权利要求1所述的TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂，其特征在于，所述g
‑
C3N4的重量为所述TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂总质量的5.24～11.35％；所述CoSe的重量为所述TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂总质量的63.24～78.91％；所述TiN的重量为所述TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂总质量的15.85～25.41％。3.一种TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)制备二甲基咪唑钴；2)在乳化剂条件下，所述二甲基咪唑钴与三聚氰胺、甲醛水溶液、尿素及二氧化钛悬浮液缩聚反应，得到TiO2/ZIF
‑
67@脲醛树脂；3)在氮气条件下，所述TiO2/ZIF
‑
67@脲醛树脂与硒粉高温反应，得到TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂。4.根据权利要求1所述的TiN/g
‑
C3N4/CoSe纳米复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备二甲基咪唑钴的步骤包括：将2
‑
甲基咪唑和六水合硝酸钴分散于溶剂中混合搅拌，然后超声处理，最后经离心、洗涤及真空干燥后，得到二甲基咪唑钴。5.根据权利要求4所述的TiN/g...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔立峰，甄正，高鑫，陈佳怡，张新河，
申请(专利权)人：广东格林赛福能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：