一种铁、氮共掺杂炭黑催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种铁、氮共掺杂炭黑催化剂及其制备方法。解决现有技术中以碳为载体的氧还原催化剂的制备方法复杂，对设备要求高的技术问题。本发明专利技术提供的催化剂，是使用球磨技术使炭黑和三聚氰胺混合均匀，由于使用球磨技术掺杂进了铁原子，再高温处理，使铁、氮原子掺杂进入炭黑的层状结构中，形成铁、氮共掺杂炭黑催化剂，该催化剂具有很高的氧还原活性，其氧还原起始电位和半波电位比商业铂含量为20%的铂基催化剂要高很多，也比已有的碳为载体的氧还原催化剂的氧还原活性要高。本发明专利技术提供的铁、氮共掺杂炭黑催化剂的制备方法简单易行，成本低。因此，该类氧还原催化剂适合用于制备燃料电池。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池
，具体涉及。
技术介绍
燃料电池，如质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池，由于具有环境友好、快速启动、无电解液流失、寿命长、功率密度和能量密度高等优点，在电动汽车动力电源、移动电源、微型电源及小型发电装置等方面显示出广阔的应用前景。对于燃料电池来说，其阴极氧还原反应是燃料电池电催化反应的速度控制步骤。而提高阴极氧还原反应的速度必然会用到氧还原催化剂。目前，碳载钼及钼合金催化剂是使用最广泛的燃料电池氧还原催化剂。但是，由于钼、钌等贵金属价格昂贵、资源紧缺，造成燃料电池的制作成本过高，严重限制了燃料电池的商业化进程。因此，开发低价、高效的非贵金属氧还原催化剂已成为燃料电池发展的迫切任务。近年来，人们主要致力于氮掺杂碳材料负载过渡金属、复合金属氧化物等以碳为载体的氧还原催化剂的研究。上述两类催化剂对燃料电池的阴极氧还原反应具有高活性和高选择性，并且制备成本较钼基催化剂的成本要低。如Ma等人(The Journal of Physical Chemistry 2011 (115) :25148-25154)通过气相沉积法制备了氮掺杂的空心炭纳米球，其对氧还原的催化活性已经接近于钼。Dai课题组将四氧化三钴，钴酸锰生长在氧化石墨上，再将氧化石墨还原，进行氮掺杂，制备得到四氧化三钴，钴酸锰/氮掺杂的石墨烯复合催化剂，这种催化 剂比商业20%钼含量的催化剂性能要高。然而，上述两类氧还原催化剂的制备方法都非常复杂，对设备有很高的要求，操作费时费力。例如，氮掺杂的空心炭纳米球在制备过程中，使用2，4，6-三硝基苯酚作为引爆物，反应时需要将反应物放入耐高压的不锈钢反应釜中，迅速将温度升高到320°C，这样在反应釜中形成了 1000°C高温， 20-45兆帕高压的环境下进行反应。其制备方法复杂，需要使用耐高温、高压的设备。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术中以碳为载体的氧还原催化剂的制备方法复杂，对设备要求高的技术问题，而提供一种制备方法简单，具有较高氧还原活性的铁、氮共掺杂炭黑催化剂及其制备方法。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案具体如下一种铁、氮共掺杂炭黑催化剂，该催化剂是由下述方法制备得到(I)按质量比为1:2(Tl: 5称取黑珍珠2000和三聚氰胺，放入球磨机中球磨Γ10 小时，得到含有碳、氮和铁的混合粉末；(2)将步骤(I)中得到的含有碳、氮和铁的混合粉末放入管式炉中，在80(Tl00(rC 下处理O. 5飞小时，得到铁、氮共掺杂炭黑催化剂。上述技术方案中制备得到的铁、氮共掺杂炭黑催化剂，其碳、氮和铁原子的比例为10:1 5:0. 5 I。上述技术方案中制备得到的铁、氮共掺杂炭黑催化剂，其碳、氮和铁原子的比例为 10:3:1。一种铁、氮共掺杂炭黑催化剂的制备方法，该制备方法的具体步骤和条件如下(I)按质量比为1:2(Tl: 5称取黑珍珠2000和三聚氰胺，放入球磨机中球磨Γ10 小时，得到含有碳、氮和铁的混合粉末；(2)将步骤(I)中得到的含有碳、氮和铁的混合粉末放入管式炉中，在80(Tl00(rC 下处理O. 5飞小时，得到所述的铁、氮共掺杂炭黑催化剂。在上述技术方案中，步骤(I)中黑珍珠2000和三聚氰胺的质量比为1:10。在上述技术方案中，步骤(2)中的管式炉为单温区滑轨炉。在上述技术方案中，步骤(I)中的球磨时间为4小时。在上述技术方案中，步骤(2)中的处理温度为900°C。在上述技术方案中，步骤(2)中的处理时间为I小时。本专利技术的有益效果是I、本专利技术提供的铁、氮共掺杂炭黑催化剂是使用球磨技术使炭黑和三聚氰胺混合均匀，由于使用球磨技术，引入了铁原子，再高温处理，使铁、氮原子掺杂进入炭黑的层状结构中而得到的。制备得到的催化剂具有很高的氧还原活性，其氧还原起始电位和半波电位比商业钼含量为20%的钼基催化剂要高很多，也比已有的碳为载体的氧还原催化剂的氧还原活性要高。2、当铁、氮共掺杂炭黑催化剂中的碳、氮和铁原子的比例为10:1 5:0. 5时，将其在O.1M KOH溶液中，氧气饱和下扫描的循环伏安图，测试氧还原峰电位为-179'89 mV ； 在经过氧气除氮的O. lmol/L的KOH溶液中利用旋转圆盘电极进行线性伏安测试，扫描速度为5mV/s，测得其氧还原起始电位，半波电位均高于商业Pt含量为20%的Pt/C催化剂。3、本专利技术提供的铁、氮共掺杂炭黑催化剂的制备方法，简单易行，成本低。只需将原料黑珍珠2000和三聚氰胺通过球磨，再高温处理，方可制备得到铁、氮共掺杂炭黑催化剂，铁原子是通过球磨过程引入的，无需加入含铁原料。因此，该类氧还原催化剂适合用于制备燃料电池，能够推进燃料电池的商业化进程，具有广阔的应用前景。4、本专利技术提供的铁、氮共掺杂炭黑催化剂的制备方法，当按质量比为1:10称取黑珍珠2000和三聚氰胺球磨4小时，再将含氮、碳和铁的混合粉末在温度为900°C，处理时间为I小时制备得到的碳、氮和铁原子的比例为10:3:1的催化剂，测试得到的氧还原起始电位及半波电位最高，其氧还原起始电位可达到50mV,半波电位为_87mV,氧还原活性最高。附图说明图1a为实施例I制备的铁、氮共掺杂炭黑催化剂在O.1M KOH溶液中，氧气饱和下的循环伏安图。图1b为实施例2制备的铁、氮共掺杂炭黑催化剂在O.1M KOH溶液中，氧气饱和下的循环伏安图。图1c为实施例3制备的铁、氮共掺杂炭黑催化剂在O.1M KOH溶液中，氧气饱和下的循环伏安图。图2a为实施例I制备的铁、氮共掺杂炭黑催化剂在O.1M KOH溶液中，氧气饱和下， 扫速为5mv/s时不同旋转速度下的线性扫描伏安图。图2b为实施例2制备的铁、氮共掺杂炭黑催化剂在O.1M KOH溶液中，氧气饱和下， 扫速为5mv/s时不同旋转速度下的线性扫描伏安图。图2c为实施例3制备的铁、氮共掺杂炭黑催化剂在O.1M KOH溶液中，氧气饱和下， 扫速为5mv/s时不同旋转速度下的线性扫描伏安图。图3 中31为Pt含量为20%的Pt/C催化剂在转速为1600 rpm,扫速为5mv/s时的线性扫描伏安32为实施例I制备的铁、氮共掺杂炭黑催化剂在转速为1600 rpm,扫速为5mv/s 时的线性扫描伏安33为实施例2 时的线性扫描伏安34为实施例3 时的线性扫描伏安图。制备的铁、氮共掺杂炭黑催化剂在转速为1600 rpm，扫速为制备的铁、氮共掺杂炭黑催化剂在转速为1600 rpm，扫速为5mv/5mv/具体实施方式 本专利技术的专利技术思想为铁、氮共掺杂炭黑催化剂，是使用球磨技术使炭黑和三聚氰胺混合均匀，由于使用的是球磨技术将原料混合均匀，而引入了铁原子，再高温处理，使铁、氮原子掺杂进入炭黑的层状结构中，形成铁、氮共掺杂炭黑催化剂，其中，碳、氮和铁原子的比例为10:1 ^5:0.5 1。这种方法制备得到的催化剂，其中，铁元素的存在形式是与其周围的碳原子，氮原子形成配合物，而氮则以吡咯氮，吡啶氮和石墨化氮的形式存在。形成的铁、氮活性中心能够催化氧还原反应。铁、氮共掺杂炭黑催化剂的制备方法，只需通过球磨和高温处理，就可以制备得到本专利技术的氧还原催化剂，该制备方法简单易行，成本低；制备得到的催化剂具有很高的氧还原活性，其氧还原起始电位和半波电位比商业钼含量为2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁、氮共掺杂炭黑催化剂，其特征在于，该催化剂是由下述方法制备得到：（1）按质量比为1:20~1:5称取黑珍珠2000和三聚氰胺，放入球磨机中球磨3~10小时，得到含有碳、氮和铁的混合粉末；（2）将步骤（1）中得到的含有碳、氮和铁的混合粉末放入管式炉中，在800~1000℃下处理0.5~5小时，得到铁、氮共掺杂炭黑催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种铁、氮共掺杂炭黑催化剂，其特征在于，该催化剂是由下述方法制备得到 (1)按质量比为1:2(Tl: 5称取黑珍珠2000和三聚氰胺，放入球磨机中球磨3 10小时，得到含有碳、氮和铁的混合粉末； (2)将步骤(I)中得到的含有碳、氮和铁的混合粉末放入管式炉中，在80(Tl00(rC下处理O. 5飞小时，得到铁、氮共掺杂炭黑催化剂。2.根据权利要求I所述的铁、氮共掺杂炭黑催化剂，其特征在于，所述的催化剂的碳、氮和铁原子的比例为10:1 5:0.5 I。3.根据权利要求2所述的铁、氮共掺杂炭黑催化剂，其特征在于，所述的催化剂的碳、氮和铁原子的比例为10:3: I。4.根据权利要求I所述的铁、氮共掺杂炭黑催化剂的制备方法，其特征在于，该制备方法的具体步骤和条件如下 (1)按质...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐维林，孙秀娟，刘京，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：