[發(fā)明專(zhuān)利]一種鐵、氮共摻雜炭黑催化劑及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210453382.4
• 申請(qǐng)日: 2012-11-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102974380A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐維林;孫秀娟;劉京
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所
• 主分類(lèi)號(hào): B01J27/24
• 分類(lèi)號(hào): B01J27/24;H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 長(zhǎng)春菁華專(zhuān)利商標(biāo)代理事務(wù)所 22210
• 代理人: 南小平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鐵、氮共摻雜炭黑催化劑及其制備方法。

背景技術(shù)

燃料電池，如質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池，由于具有環(huán)境友好、快速啟動(dòng)、無(wú)電解液流失、壽命長(zhǎng)、功率密度和能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電源、移動(dòng)電源、微型電源及小型發(fā)電裝置等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于燃料電池來(lái)說(shuō)，其陰極氧還原反應(yīng)是燃料電池電催化反應(yīng)的速度控制步驟。而提高陰極氧還原反應(yīng)的速度必然會(huì)用到氧還原催化劑。目前，碳載鉑及鉑合金催化劑是使用最廣泛的燃料電池氧還原催化劑。但是，由于鉑、釕等貴金屬價(jià)格昂貴、資源緊缺，造成燃料電池的制作成本過(guò)高，嚴(yán)重限制了燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程。因此，開(kāi)發(fā)低價(jià)、高效的非貴金屬氧還原催化劑已成為燃料電池發(fā)展的迫切任務(wù)。

近年來(lái)，人們主要致力于氮摻雜碳材料負(fù)載過(guò)渡金屬、復(fù)合金屬氧化物等以碳為載體的氧還原催化劑的研究。上述兩類(lèi)催化劑對(duì)燃料電池的陰極氧還原反應(yīng)具有高活性和高選擇性，并且制備成本較鉑基催化劑的成本要低。如Ma?等人（The?Journal?of??Physical?Chemistry?2011?(115):25148-25154）通過(guò)氣相沉積法制備了氮摻雜的空心炭納米球，其對(duì)氧還原的催化活性已經(jīng)接近于鉑。Dai課題組將四氧化三鈷，鈷酸錳生長(zhǎng)在氧化石墨上，再將氧化石墨還原，進(jìn)行氮摻雜，制備得到四氧化三鈷，鈷酸錳/氮摻雜的石墨烯復(fù)合催化劑，這種催化劑比商業(yè)20%鉑含量的催化劑性能要高。然而，上述兩類(lèi)氧還原催化劑的制備方法都非常復(fù)雜，對(duì)設(shè)備有很高的要求，操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。例如，氮摻雜的空心炭納米球在制備過(guò)程中，使用2,4,6-三硝基苯酚作為引爆物，反應(yīng)時(shí)需要將反應(yīng)物放入耐高壓的不銹鋼反應(yīng)釜中，迅速將溫度升高到320℃，這樣在反應(yīng)釜中形成了1000℃高溫，20-45兆帕高壓的環(huán)境下進(jìn)行反應(yīng)。其制備方法復(fù)雜，需要使用耐高溫、高壓的設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中以碳為載體的氧還原催化劑的制備方法復(fù)雜，對(duì)設(shè)備要求高的技術(shù)問(wèn)題，而提供一種制備方法簡(jiǎn)單，具有較高氧還原活性的鐵、氮共摻雜炭黑催化劑及其制備方法。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下：

一種鐵、氮共摻雜炭黑催化劑，該催化劑是由下述方法制備得到：

（1）按質(zhì)量比為1:20~1:5稱(chēng)取黑珍珠2000和三聚氰胺，放入球磨機(jī)中球磨3~10小時(shí)，得到含有碳、氮和鐵的混合粉末；

（2）將步驟（1）中得到的含有碳、氮和鐵的混合粉末放入管式爐中，在800~1000℃下處理0.5~5小時(shí)，得到鐵、氮共摻雜炭黑催化劑。

上述技術(shù)方案中制備得到的鐵、氮共摻雜炭黑催化劑，其碳、氮和鐵原子的比例為10:1?~5:0.5?~1。

上述技術(shù)方案中制備得到的鐵、氮共摻雜炭黑催化劑，其碳、氮和鐵原子的比例為10:3:?1。

一種鐵、氮共摻雜炭黑催化劑的制備方法，該制備方法的具體步驟和條件如下：

（1）按質(zhì)量比為1:20~1:5稱(chēng)取黑珍珠2000和三聚氰胺，放入球磨機(jī)中球磨3~10小時(shí)，得到含有碳、氮和鐵的混合粉末；

（2）將步驟（1）中得到的含有碳、氮和鐵的混合粉末放入管式爐中，在800~1000℃下處理0.5~5小時(shí)，得到所述的鐵、氮共摻雜炭黑催化劑。

在上述技術(shù)方案中，步驟（1）中黑珍珠2000和三聚氰胺的質(zhì)量比為1:10。

在上述技術(shù)方案中，步驟（2）中的管式爐為單溫區(qū)滑軌爐。

在上述技術(shù)方案中，步驟（1）中的球磨時(shí)間為4小時(shí)。

在上述技術(shù)方案中，步驟（2）中的處理溫度為900℃。

在上述技術(shù)方案中，步驟（2）中的處理時(shí)間為1小時(shí)。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明提供的鐵、氮共摻雜炭黑催化劑是：使用球磨技術(shù)使炭黑和三聚氰胺混合均勻，由于使用球磨技術(shù)，引入了鐵原子，再高溫處理，使鐵、氮原子摻雜進(jìn)入炭黑的層狀結(jié)構(gòu)中而得到的。制備得到的催化劑具有很高的氧還原活性，其氧還原起始電位和半波電位比商業(yè)鉑含量為20%的鉑基催化劑要高很多，也比已有的碳為載體的氧還原催化劑的氧還原活性要高。