利用浓硫酸碳化合成氮碳非金属氧还原催化剂的方法技术

本发明专利技术提供了一种利用浓硫酸碳化合成氮碳复合非金属氧还原催化剂的方法，是以含有碳、氢、氧的有机化合物为碳源，三聚氰胺为氮源，先利用浓硫酸的脱水性，将含有碳、氢、氧的有机化合物中的氢、氧进行初步碳化，使得三聚氰胺进入初步碳化产物的孔道，有效地固定了氮源；再在氮气保护下进行高温深度碳化得到氮与碳有效结合的复合材料，使得具有促进氧还原催化作用的活性氮发挥良好作用，避免了以往单纯用高温热处理方法所产生的氮流失问题，从而有效提高了氮碳复合材料的氧还原催化活性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于复合材料
，涉及一种氮碳复合非金属氧还原催化剂的制备方法，尤其涉及一种利用浓硫酸碳化合成氮碳复合非金属氧还原催化剂的方法。
技术介绍
燃料电池作为一种环境友好的能源利用技术，可以直接将化学能转换为电能，一直以来受到人们的广泛关注。然而，由于其主要使用含钼催化剂，致使成本较高，高成本问题严重制约了燃料电池技术的发展和商业化进程。因而发展非贵金属及非金属催化剂已成为燃料电池领域最为重要的研究课题。研究发现，高含氮量碳材料在碱性环境下对氧化剂具有很好的氧还原催化活性，因此，研究开发高含氮量碳的非贵金属材料作为氧还原催化剂是实现燃料电池工业化的必然途径。目前，制备氮碳复合非金属催化剂的方法，主要是以含N4结构大环配体、NH3XH3CN等为氮源，以炭黑载体、聚丙烯腈等为碳源，经高温炭化而得。然而，将氮源、碳源单纯的进行高温石墨化热处理，会使大量的氮活性位点流失，很难使得活性氮发挥极致作用，进而影响了氮碳复合的氧还原催化活性。因此，使得氮碳有效结合对于发展非金属氧还原催化剂具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种利用浓硫酸碳化合成氮碳复合非金属氧还原催化剂的方法。本专利技术利用浓硫酸碳化合成氮碳复合非金属氧还原催化剂的方法，是先将含碳、氢、氧三种元素的有机化合物与三聚氰胺混合均匀后，先加入浓硫酸进行初步碳化，再将碳化产物在氮气保护下进行高温深度碳化而得。所述含碳、氢、氧三种元素的有机化合物为蔗糖、肌醇等。所述含碳、氢、氧三种元素的有机化合物与三聚氰胺以2: f 5:1的质量比混合。所述浓硫酸的质量浓度为70、8%，其用量为:每克含碳、氢、氧三种元素的有机化合物中加入浓硫酸l(Tl5mL/g。所述浓硫酸初步碳化的工艺条件为:在高压反应釜中，于12(T200°C碳化反应6 10 ho所述高温深度碳化的条件为:在60(Tl000 °C下碳化处理2飞h。下面对本专利技术制备的氮碳复合非金属氧还原催化剂进行物理表征和性能测试。1、扫描电镜分析 图1为利用本专利技术制备的氮碳非金属氧还原催化剂的扫描电镜图，图2为利用传统高温热处理碳化法制备的催化剂的扫描电镜图。从图1、2中可以看出，利用本专利技术制备的氮碳非金属氧还原催化剂呈现网状结构，有效的将氮源固定，形成碳氮有效结合的新型材料；而利用传统高温热处理方法所制得的催化剂呈大小不均一的砖块形状，氮源分布不均匀且容易流失。2、拉曼光谱分析 图3为利用本专利技术制备的氮碳非金属氧还原催化剂与利用传统热处理碳化法制备的催化剂以及商业XC-72碳粉的拉曼光谱对比图。从图3中看出，利用本专利技术制备的催化剂和传统热处理碳化法制备的催化剂均出现碳材料所特有的D峰和G峰。但相比于利用传统方法制备的催化剂，本专利技术制备的催化剂峰型较强，且ID/Ie的值为1.09，小于传统方法制备的催化剂(1.14)，也更接近商业乂(:-72碳粉(1.03)。这表明利用本专利技术制备的催化剂石墨化程度更高，碳化更完全。3、催化氧还原性能分析 图4为利用本专利技术制备的氮碳非金属氧还原催化剂与利用传统热处理碳化法制备的催化剂以及商业XC-72碳粉的催化氧还原反应的极化曲线图。从图4直观看出，在利用本专利技术制备的复合碳材料的电极上，氧还原反应的起始电位和半波电位分别比用传统热处理方法制备的催化剂正移了 52 mV和31 mV ;比商业XC-72碳粉正移123 mV和79 mV，说明用该方法制备的材料比用传统方法制备的催化剂材料表现出更好的氧还原性能。综上所述，本专利技术以含有碳、氢、氧的有机化合物为碳源，三聚氰胺为氮源，先利用浓硫酸的脱水性，将含有碳、氢、氧的有机化合物中的氢、氧进行初步碳化，使得三聚氰胺进入初步碳化产物的孔道，有效地固定了氮源；再在氮气保护下进行高温深度碳化得到氮与碳有效结合的复合材料，使得具有促进氧还原催化作用的活性氮发挥良好作用，避免了以往单纯用高温热处理方法所产生的氮流失问题，从而有效提高了氮碳复合材料的氧还原催化活性。附图说明 图1为利用本专利技术制备的氮碳非金属氧还原催化剂的扫描电镜 图2为利用传统热处理碳化法制备的催化剂的扫描电镜 图3为利用本专利技术制备的氮碳非金属氧还原催化剂与利用传统热处理碳化法制备的催化剂以及商业XC-72碳粉的拉曼光谱对比 图4为利用本专利技术制备的氮碳非金属氧还原催化剂与利用传统热处理碳化法制备的催化剂以及商业XC-72碳粉的催化氧还原反应的极化曲线对比图。具体实施例方式下面通过具体实施例对本专利技术的制备方法和用该方法制备的新型氧还原催化剂作进一步说明。实施例1 在400 mL烧杯中加入4g蔗糖和2g三聚氰胺，混合搅拌均匀后，逐滴加入20 mL，质量浓度为98%的浓硫酸；然后装入高压反应釜，在120°C —次碳化10 h ;待反应完全后抽滤，洗涤，干燥。所得产物在氮气保护下，于600 °C高温深度碳化处理2 h，得氮碳复合非金属氧还原催化剂材料。通过氧还原测试发现，在利用本专利技术制备的复合碳材料的电极上，氧还原反应的起始电位和半波电位分别比用传统热处理方法制备的催化剂正移了 49 mV和30 mV;比商业XC-72碳粉正移110 mV和68 mV。实施例2 在400 mL烧杯中加入4g蔗糖、2g三聚氰胺，混合搅拌均匀后，逐滴加入20 mL质量浓度为98%的浓硫酸；然后装入高压反应釜，在140 次碳化10 h，待反应完全后抽滤，洗涤，干燥；所得产物在氮气保护下，800 °C高温二次碳化处理2h，得非金属氧还原催化剂材料。通过氧还原测试发现，在利用本专利技术制备的复合碳材料的电极上，氧还原反应的起始电位和半波电位分别比用传统热处理方法制备的催化剂正移了 59 mV和36 mV;比商业XC-72碳粉正移128 mV和81 mV。实施例3 在400 mL烧杯中加入4g肌醇、Ig三聚氰胺，混合搅拌均匀后，逐滴加入20 mL，质量浓度为98%的浓硫酸，然后装入高压反应釜，在120°C —次碳化10 h，待反应完全后抽滤，洗涤，干燥；所得产物再在氮气保护下，600 °C高温深度碳化处理2 h，得非金属氧还原催化剂材料。通过氧还原测试发现，在利用本专利技术制备的复合碳材料的电极上，氧还原反应的起始电位和半波电位分别比用传统热处理方法制备的催化剂正移了 42 mV和29 mV;比商业XC-72碳粉正移92 mV和43 mV。实施例4 在400 mL烧杯中加入4g肌醇、Ig三聚氰胺，混合搅拌均匀后，逐滴加入10 mL，质量浓度为98%的浓硫酸，后装入高压反应釜，在140 次碳化10 h，待反应完全后抽滤，洗涤，干燥；所得产物再在氮气保护下，800 °C高温深度碳化处理2 h，得非金属氧还原催化剂材料。通过氧还原测试发现，在利用本专利技术制备的复合碳材料的电极上，氧还原反应的起始电位和半波电位分别比用传统热处理方法制备的催化剂正移了 49 mV和34 mV;比商业XC-72碳粉正移103 mV和59 mV。本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用浓硫酸碳化合成氮碳复合非金属氧还原催化剂的方法，是先将含碳、氢、氧三种元素的有机化合物与三聚氰胺混合均匀后，先加入浓硫酸进行初步碳化，再将碳化产物在氮气保护下进行高温深度碳化而得。

【技术特征摘要】
1.利用浓硫酸碳化合成氮碳复合非金属氧还原催化剂的方法，是先将含碳、氢、氧三种元素的有机化合物与三聚氰胺混合均匀后，先加入浓硫酸进行初步碳化，再将碳化产物在氮气保护下进行高温深度碳化而得。2.如权利要求1所述利用浓硫酸碳化合成氮碳复合非金属氧还原催化剂的方法，其特征在于:所述含碳、氢、氧三种元素的有机化合物为蔗糖、肌醇。3.如权利要求1所述利用浓硫酸碳化合成氮碳复合非金属氧还原催化剂的方法，其特征在于:所述含碳、氢、氧三种元素的有机化合物与三聚氰胺以2:1 5:1的质量比混合。4.如权利要求1所述利用浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：王荣方，马妍姣，王辉，季山，
申请(专利权)人：西北师范大学，
类型：发明
国别省市：