[發明專利]絲綢狀非貴金屬納米管氧還原電催化劑的制備

無效

• 申請號: 201310077813.6
• 申請日: 2013-03-12
• 公開（公告）號: CN103111296A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 王榮方;周田寶;王輝
• 申請（專利權）人: 西北師范大學
• 主分類號: B01J23/745
• 分類號: B01J23/745;B01J23/755;B01J23/75;B01J35/02;H01M4/90
• 代理公司: 甘肅省知識產權事務中心 62100
• 代理人: 張英荷

技術領域

本發明屬于電催化技術領域，涉及一種非貴金屬燃料電池氧還原催化劑的制備，尤其涉及一種絲綢狀非貴金屬納米管氧還原電催化劑的制備。

背景技術

隨著能源的短缺和環境的污染及人們生活質量的提高，解決能源和改善環境的問題迫在眉睫。燃料電池作為一種不經過燃燒而直接通過電化學反應方式將燃料中的化學能轉化為電能的發電裝置，是一種綠色能源技術，因其排放物不含氮氧化物、顆粒物質等有害氣體，作為可改善環境污染和地球溫室化的綠色能源，解決了上述問題，因此燃料電池在未來的普及和市場前景廣受期待。但在燃料電池產業化的過程中，其成本問題和壽命問題一直是困擾其發展的核心問題。

當前，燃料電池成本居高不下的主要原因是貴金屬Pt的大量使用。由于貴金屬Pt資源匱乏，價格比較貴，限制了其實際應用和完全商業化。其中電池陰極的氧還原反應是影響電池性能的最重要的因素之一，而氧還原的關鍵問題是陰極催化劑的催化活性、穩定性、耐滲透性及成本的問題。為了解決上述問題及開發一種安全、簡易、快速、高效的催化劑，是實現催化劑產業化必須考慮的因素。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術中存在的問題，提供一種絲綢狀非貴金屬納米管氧還原電催化劑的制備方法。

本發明絲綢狀非貴金屬納米管氧還原電催化劑的制備方法，是將氨基酸溶解在乙醇-水溶液中，加入金屬鹽溶液，超聲攪拌20~60?min；然后加入二氧化硅納米球，超聲攪拌30~120?min，干燥后置于管式爐中，通氮氣保護，逐漸升溫至800~1200℃，炭化1~4h，取出，浸于氫氟酸溶液中，室溫下攪拌20~40?h以除去二氧化硅模板，抽濾、水洗、干燥，即得。

所述氨基酸與金屬鹽的質量比為1:0.01~1:0.2；氨基酸與二氧化硅納米球的質量比為1:0.1~1:1。

所述氨基酸可為L-賴氨酸、精氨酸或組氨酸。

所述金屬鹽為金屬Fe、Co、Ni的氯化物。

所述逐漸升溫是先以3~10℃/min的速度加熱至250~400℃，停留加熱0.5~2?h，然后以同樣的速度升溫至800~1200℃，炭化0.5~2?h。

所述乙醇-水溶液中，氨基酸的含量為0.04~0.1?g/mL。

所述乙醇-水溶液中，乙醇水溶液的體積比為1:0.5~1:4。

所述二氧化硅納米球的粒徑為30±10?nm。

所述氫氟酸溶液的質量濃度為20~40%。

下面通過差熱-熱重分析（TG-DTA）、透射電鏡（TEM）等圖，對本發明的絲綢狀納米管非貴金屬氧還原電催化劑的結構和性能進行分析說明。

圖1為本發明制備的L-賴氨酸、三氯化鐵和二氧化硅的混合物差熱-熱重分析圖（TG-DTA）。從圖1中可以看出該混合物碳化過程中的質量損失情況：25~110℃主要是賴氨酸中自由水的受熱分解；110~380℃主要是氨基酸分解和裂解產生的；380~1000℃主要是裂解后小分子的再裂解引起的，1000℃以后質量基本上不變，以此可以確定適宜的程序碳化溫度為800~1200℃。在230℃有一個明顯的吸熱峰，主要是由于氨基酸分解和裂解引起的，635℃有一個明顯的放熱峰，主要是由于小分子的結晶相變引起的。由此可見，本發明制備的氧還原電催化劑具有很好的氧還原催化活性、穩定性及抗甲醇中毒能力，

圖2為本發明制備的絲綢狀納米管非貴金屬氧還原電催化劑的透射電鏡（TEM）圖。從圖2可以看出，該催化劑呈納米空心管狀，管壁猶如絲綢，類似于石墨層，從而增大了催化劑的比表面積，有利于催化劑與氧氣的接觸和產物的輸出，石墨碳的自由電子多，有利于電子的轉移和傳導。

圖3為本發明制備的絲綢狀納米管非貴金屬氧還原電催化劑為工作電極，銀/氯化銀電極為參比電極，在0.1?M?KOH飽和氧氣溶液中的電催化氧還原圖，并與商業化Pt/C（Jonhson-Matthey公司）催化劑在0.1?M?KOH溶飽和氧氣溶液中的氧還原對比。從圖3可以看出，本發明制備的催化劑氧還原的半波電位為-96.7?mV，比商業化Pt/C（Jonhson-Matthey公司）催化劑提前了23.6?mV。說明本發明制備的氧還原電催化劑對氧還原具有很高的催化活性。