[發明專利]不含金屬的硫摻雜碳材料過氧化氫電還原催化劑及制備方法

有效

• 申請號: 201410298791.0
• 申請日: 2014-06-26
• 公開（公告）號: CN104051748A
• 公開（公告）日: 2014-09-17
• 發明（設計）人: 王貴領;王濱;劉繼軍;曹殿學;蔡莊
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B01J27/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種過氧化氫電還原催化劑。本發明還涉及一種過氧化氫電還原催化劑的制備方法。

背景技術

H₂O₂作為氧化劑的燃料電池，具有電化學活性高，易于儲存、運輸和操作等優點，可在空間或者水下等無氧環境代替O₂，尤其是在幾種有代表性的低溫燃料電池中的研究更是成為當下的研究熱點。利用過氧化氫取代氧氣作為氧化劑具有以下優點：氧氣還原是一個4電子過程，動力學速率慢，而過氧化氫的還原是一個2電子過程，具有較低的活化過電勢，因此具有更快的反應動力學速率；過氧化氫常溫下是液體，儲存運輸方便，特別適合空間、水下等無氧環境；液相進料使得以過氧化氫為氧化劑的燃料電池在操作過程中不需要潤濕過程，因此燃料電池結構更簡單，體積功率密度更大。在堿性電解液中過氧化氫作為陰極氧化劑可以發生以下還原反應:

堿性介質：H₂O₂+2e＝2OH^-????(1)

目前，用于過氧化氫電還原催化劑主要有：(1)貴金屬及其合金；(2)過渡金屬氧化物，如四氧化三鈷、偏鈷酸鎳等；(3)過渡金屬的大環化合物，如鐵卟啉、普魯士藍、酞菁鈷。無論是貴金屬，過渡金屬氧化物，還是過渡金屬的大環化合物催化劑，H₂O₂的電還原催化劑，都有一定組分的貴金屬或過渡金屬存在。也可以說，H₂O₂的電還原催化劑的主要成分為貴金屬或過渡金屬。貴金屬或過渡金屬催化劑都存在兩個問題，一是電還原性能不佳，二是水解為氧氣逸出，參見(2)式。這導致了H₂O₂電還原性能低和利用率低的問題。

2H₂O₂＝2H₂O+O₂????(2)

可參閱Kui?Cheng,Dianxue?Cao,Fan?Yang,Yang?Xu,Gaohui?Sun,Ke?Ye,Jinling?Yin,Guiling?Wang.Facile?synthesis?of?morphology-controlled?Co₃O₄nanostructures?through?solvothermal?method?with?enhanced?catalytic?activity?for?H₂O₂electroreduction.Journal?of?Power?Sources，2014,253:214-223，以及程魁,楊帆,閆鵬,曹殿學,殷金玲,王貴領.Co₃O₄納米片的制備及對H₂O₂電還原反應的催化性能[J].高等學校化學學報,2014,35(1):110-114。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能提高H₂O₂的電氧化性能和利用率的不含金屬的硫摻雜碳材料過氧化氫電還原催化劑。本發明的目的還在于提供一種不含金屬的硫摻雜碳材料過氧化氫電還原催化劑的制備方法。

本發明的不含金屬的硫摻雜碳材料過氧化氫電還原催化劑由質量比為5～6:95～94的芐基二硫和碳材料制成。

所述的碳材料為碳納米管、石墨烯、多孔炭及它們的混合物，優選為碳納米管。

本發明的不含金屬的硫摻雜碳材料過氧化氫電還原催化劑的制備方法為：按照質量比為5～6:95～94的比例將芐基二硫和碳材料放入足量的乙醇中，使乙醇將芐基二硫和碳納米管覆蓋，超聲0.5-1h，離心去上層物質后在50-60℃真空干燥5-6h形成固體粉末，將固體粉末放入高溫爐中氮氣保護下在800-900℃反應7-8h，氮氣保護下冷卻至室溫得到硫摻雜碳材料過氧化氫電還原催化劑。

也可以將Pd、Au等貴金屬；Co、Ni等非貴金屬復合于所得帶的硫摻雜碳材料過氧化氫電還原催化劑，形成硫摻雜碳納米管衍生的催化劑。