[發(fā)明專利]一種摻雜金屬的聚苯胺與聚吡咯復(fù)合物碳化電催化劑及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310236953.3
• 申請日: 2013-06-15
• 公開（公告）號: CN103316706A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 易清風(fēng);張玉暉
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南科技大學(xué)
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;H01M4/90;G01N27/30
• 代理公司: 張家界市慧誠商標(biāo)專利事務(wù)所 43209
• 代理人: 高紅旺

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體涉及到聚苯胺和聚吡咯復(fù)合物的炭化產(chǎn)物，摻雜鐵的聚苯胺和聚吡咯的復(fù)合物的炭化產(chǎn)物、摻雜鈷的聚苯胺和聚吡咯的復(fù)合物的炭化產(chǎn)物、以及摻雜鐵-鈷的聚苯胺和聚吡咯復(fù)合物的炭化產(chǎn)物的制備方法及其產(chǎn)品，同時涉及這些炭化產(chǎn)物對氧還原反應(yīng)的電催化活性測試。?

背景技術(shù)

燃料電池是一種將儲存在燃料中和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它具有能量轉(zhuǎn)換率高、環(huán)境友好、啟動溫度低、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。在電動汽車動力電源、移動電源、微型電源及小型發(fā)電裝置等方面顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。而目前燃料電池中的陰極催化劑主要使用的是Pt及Pt基合金催化劑。Pt資源匱乏，價格昂貴，過高的電池成本嚴(yán)重阻礙了燃料電池的商業(yè)化。同時，甲醇滲透導(dǎo)致陰極Pt催化劑上發(fā)生電氧化，產(chǎn)生“混合電位”，且甲醇氧化產(chǎn)生的毒性中間體易使催化劑中毒，嚴(yán)重影響電池的輸出性能。因此開發(fā)高活性的耐醇非貴金屬氧還原催化劑成為燃料電池商業(yè)化道路上的主要技術(shù)難題。?

經(jīng)過近幾十年的努力，世界各國的科學(xué)家們已經(jīng)成功制備了一系列的含氮碳材料負(fù)載非貴金屬催化劑。影響此類電催化劑活性的因素主要有一下幾點(diǎn)：（1）過渡金屬元素，是確保催化劑活性的主要因素；（2）碳黑，作為催化劑的載體，碳黑對催化劑性能的影響主要表現(xiàn)在其是否容易被N元素修飾，產(chǎn)生具有催化活性的邊緣缺陷；（3）氮源，是能夠提供為碳黑上被N修飾的邊緣缺陷的含氮物質(zhì)，其選擇范圍廣，很多含氮的、非大環(huán)化合物都可以用作氮的前驅(qū)體；（4）熱處理溫度，是改善催化劑活性的主要因素，不同的熱處理溫度對催化劑的產(chǎn)生不同的影響，并且經(jīng)過高溫?zé)崽幚砜梢蕴岣叽呋瘎┑姆€(wěn)定性。?

聚吡咯是以吡咯環(huán)為結(jié)構(gòu)單元的高分子，摻雜后具有很好的導(dǎo)電性，通過在吡咯的聚合過程中摻雜入不同的金屬后，再加入苯胺單體，形成聚苯胺與聚吡咯的復(fù)合物。摻雜金屬后的吡咯本身既是一種碳源，同時也是一種氮源。而聚苯胺的加入不僅提高了催化劑載體的碳含量，同時也作為了一種氮源加入到催化劑中。然后再一定的溫度下炭化，這就得到了摻雜過渡金屬的C-N類化合物。?

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發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種摻雜金屬的聚苯胺和聚吡咯復(fù)合物直接炭化的電催化劑，其將摻雜了金屬的聚苯胺與聚吡咯復(fù)合物直接炭化，并經(jīng)過了高溫?zé)崽幚恚玫搅擞糜谌剂想姵匮踹€原反應(yīng)的新型非貴金屬催化劑。本發(fā)明應(yīng)用的原料成本低，來源廣泛，并且催化劑的制備過程簡單。催化劑產(chǎn)品對氧還原反應(yīng)具有很強(qiáng)的催化活性。?

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種摻雜金屬的聚苯胺和聚吡咯復(fù)合物炭化電催化劑的制備方法，具體步驟如下：?

（1）將360μL吡咯單體溶于30mL二次水中，形成吡咯單體的溶液記為溶液A;

（2）將0～2.76g的FeCl₃6H₂O固體、或0～2.76g的Co(NO₃)₂6H₂O固體、或0～2.76g的?FeCl₃6H₂O+Co(NO₃)₂6H₂O的混合固體溶于10mL二次水中，再加入1.14g過硫酸銨，攪拌均勻，形成的溶液記為溶液B；?

（3）將上述溶液A和溶液B迅速混合，充分?jǐn)嚢韬螅?℃環(huán)境中反應(yīng)24小時，反應(yīng)完成后再加入360μL苯胺單體以及1.14g過硫酸銨固體，在20℃環(huán)境中反應(yīng)24小時，形成糊狀物；

（4）將上述糊狀物在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸發(fā)完全，然后真空干燥24小時，得到催化劑的前驅(qū)體；

（5）將干燥得到的催化劑前驅(qū)體放入管式爐中，先通半小時的N₂使管式爐中充滿N₂，之后溫度從室溫升至350℃，恒溫2小時，然后繼續(xù)升溫至700℃，恒溫2小時，其升溫速率為2℃/min，然后停止加熱，自然冷卻至室溫停止通N₂，即得到摻雜金屬的聚苯胺和聚吡咯復(fù)合物的炭化產(chǎn)物；