[發明專利]一種鐵氮共摻雜碳微球及制備方法、用途和氧還原電極

有效

• 申請號: 201611200874.7
• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106784865B
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發明（設計）人: 王舜;金輝樂;藺潔;王繼昌;劉愛麗;董小妹;楊超;劉萌;馮誠;馮如婷
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/90
• 代理公司: 北京至臻永信知識產權代理有限公司 11568
• 代理人: 董鵬;唐維寧

本發明涉及一種鐵氮共摻雜碳微球復合材料的制備方法，所述方法包括如下步驟：S1：將六氯丁二烯、鐵源化合物與含氮化合物在高溫高壓下進行密閉反應；S2：反應結束后，泄壓至常壓，并自然冷卻至室溫，將所得固體干燥，得到干燥樣品；S3：將所述干燥樣品在惰性氣體保護下進行高溫焙燒處理，從而得到所述鐵氮共摻雜碳微球復合材料；還涉及所述復合材料、用途和包含其的氧還原電極。所述鐵氮共摻雜碳微球復合材料具有優異的性能，可用來制備燃料電池的氧還原電極，從而可用于燃料電池中，并表現出了良好的電化學性能，在電化學領域具有巨大的應用潛力和工業價值。

技術領域

本發明提供了一種復合材料及其制備方法、用途和由其制得的電極，更具體而言，提供了一種鐵氮共摻雜碳微球及制備方法、用途和包含其的氧還原電極，屬于無機功能材料和電化學能源技術領域。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)擁有啟動快、壽命長、能量大、無污染等優異特點，從而在汽車動力裝置、移動電源以及發電廠等諸多領域都有著良好的應用前景。但另一方面，由于還存在諸多技術瓶頸不能解決，導致質子交換膜燃料電池離真正的商業化應用還有比較遙遠的距離。

迄今為止，最為常用的燃料電池催化劑是鉑基催化劑。但由于鉑價格昂貴、資源匱乏，致使催化劑的成本很高。同時鉑基催化劑也存在諸多缺陷，例如穩定性差、易中毒、質量活性低等。因此，尋找廉價活性高、穩定好的催化劑倍受關注。

近幾年來，具有高比表面積，優異的導電性和穩定性的碳材料例如碳納米管、介孔碳等已被廣泛地應用于燃料電池方面，例如：

CN101635354A公開了一種碳納米管摻雜非晶相氫氧化鎳電極活性材料的制備方法。該方法以鎳鹽、強堿和碳納米管為主要原料，以表面活性劑異辛基酚聚氧乙烯醚和乙醇為輔助原料，通過快速冷凍化學共沉淀法制備碳納米管摻雜非晶相氫氧化鎳電極活性材料。所制備產品材料制成鎳電極組成氫鎳電池，放電比容量高，循環性能好。所述方法操作簡單、方便、條件易于控制，制備的材料電化學性能穩定，適合用作高容量堿性二次電池正極活性材料

CN102117918A公開了一種氮摻雜碳納米管在制備微生物燃料電池陰極中的應用及其制備方法，是將氮摻雜碳納米管粉末作為微生物燃料電池的氧還原催化劑。具體制備方法是將氮摻雜碳納米管、導電材料以及粘結劑按比例混合；向混合物中加入溶劑，混合均勻，并超聲分散；將超聲混合物均勻地涂敷在導電基底上；自然風干形成微生物燃料電池陰極。與以常規貴金屬鉑為陰極氧還原催化劑組裝的微生物燃料電池相比，以氮摻雜碳納米管為陰極氧還原催化劑的微生物燃料電池輸出功率更高，運行穩定性更佳。與鉑催化劑相比，氮摻雜碳納米管價格低廉。

CN102416337A公開了一種氮摻雜碳納米管燃料電池催化劑的制備方法。其采用雙溫區法制備氮摻雜碳納米管，先將固體碳源和氮源前驅體置于低溫區加熱升華，然后通過載氣將升華的前驅體帶入高溫區進行碳納米管的沉積。該將前驅物置于低溫區的方法可以有效避免進氣管道和設備接口的腐蝕，同時載氣流速比較低，前驅物可以在高溫區充分反應，提高氮摻雜碳納米管的產量。所述方法簡單易行，操作安全，生產成本低廉。所述氮摻雜碳納米管催化劑可應用于燃料電池領域，具有高效的氧還原催化性能，具有媲美和替代Pt/C催化劑的潛力。

CN103041827A公開了一種燃料電池用氮摻雜納米碳電催化劑及其制備方法，所述電催化劑以苯胺作反應前驅體，將苯胺、表面活性劑與可溶性過渡金屬鹽共混后在酸性和高氧化條件下聚合，干燥后將其在惰性氣體和/或氨氣氣氛保護下高溫炭化，最后進行酸處理制備而成。所述電催化劑制備方法簡單易控，易于規模化生產。該催化劑在酸性介質燃料電池中具有和Pt/C相比的氧還原催化活性、穩定性和選擇性；在堿性介質燃料電池中具有比商業化Pt/C更高的催化活性和穩定性。此外，該催化劑還具有低成本和高抗毒性能，可以替代鉑用作燃料電池氧還原電催化劑。