[發(fā)明專利]一種電極催化材料的制備方法及其在葡萄糖燃料電池中的應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710321837.X
• 申請(qǐng)日: 2017-05-09
• 公開（公告）號(hào): CN107138172B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 次素琴;劉良貞;溫珍海
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南昌航空大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J27/24
• 分類號(hào): B01J27/24;B01J23/75;B01J35/10;H01M4/90
• 代理公司: 南昌智旭知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 36138
• 代理人: 周超

本發(fā)明公布了一種電極催化材料的制備方法，即一種氮參雜碳納米片包覆Co納米粒子的三維多孔納米結(jié)構(gòu)的碳材料。將單氰胺(CN₂H₂)和六水合硝酸鈷(Co(NO₃)₂.6H₂O)混合均勻后進(jìn)行固?固反應(yīng)，制得一種膨松的前驅(qū)體，再將前驅(qū)體進(jìn)行高溫碳化，得到最終的電極催化材料。單氰胺既是碳源，也是氮源。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：將單氰胺在反應(yīng)中分解產(chǎn)生的氣體作為氣體模板構(gòu)建出三維多孔碳結(jié)構(gòu)，這種三維結(jié)構(gòu)促進(jìn)了質(zhì)子和電子的傳導(dǎo)效率，石墨化的碳增強(qiáng)了其導(dǎo)電性。該制備方法制備工藝簡(jiǎn)易，該電極的制備工藝具有潛在應(yīng)用價(jià)值。將這種氮參雜碳納米片包覆Co納米粒子的三維多孔納米結(jié)構(gòu)的碳材料分別制備成葡萄糖燃料電池陰極和陽極的催化電極，來催化陰陽極電極反應(yīng)，從而使其自發(fā)進(jìn)行，帶動(dòng)外加負(fù)荷對(duì)外輸出電能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于利用一種氮參雜碳納米片包覆Co納米粒子的三維多孔納米結(jié)構(gòu)的電極催化材料的制備，以及在葡萄糖燃料電池中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

最近幾十年中，隨著全球環(huán)境問題日益突出以及能源危機(jī)的加劇，尋找高效率、低成本、清潔的能源轉(zhuǎn)換體統(tǒng)成為了人們的迫切需要。由于燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高，反應(yīng)溫度低、產(chǎn)物低污染等優(yōu)點(diǎn)，因而燃料電池極有可能成為解決環(huán)境、能源問題的一種途徑。^[2]而氧還原是燃料電池技術(shù)的核心關(guān)鍵，燃料電池陰極氧還原動(dòng)力學(xué)緩慢，這就限制了燃料電池技術(shù)的提高。^[3]鉑以及鉑合金是目前性能最好的氧還原催化劑，但鉑金屬價(jià)格昂貴，且稀缺，加上鉑催化劑穩(wěn)定性差，抗甲醇性能差等缺點(diǎn)使得燃料電池的應(yīng)用進(jìn)一步受到了限制，這就需要研究出價(jià)格低廉的高活性非貴金屬或非金屬催化劑來代替鉑基催化劑。

多孔碳材料具有較高的比表面積、較好的導(dǎo)電性、高的化學(xué)穩(wěn)定性，且雜原子（例如：N，B，P，S等）摻雜納米結(jié)構(gòu)碳材料，具有突出的氧還原催化活性，尤其是氮摻雜納米結(jié)構(gòu)碳材料是其中催化活性最好的。近年來碳材料被廣泛研究。最近，多孔碳基負(fù)載復(fù)合納米結(jié)構(gòu)過度金屬（例如：Co，F(xiàn)e，Ni等）這類材料，由于協(xié)同效應(yīng)使得整體性能大弧度提高，所以這類材料極有可能代替Pt基催化劑，成為最佳商用氧還原催化劑。

為了進(jìn)一步提高ORR催化材料的性能，我們發(fā)明了一種氮參雜碳納米片包覆Co納米粒子的三維多孔納米結(jié)構(gòu)的電極催化材料。大量的Co納米粒子較均一地修飾在碳納米片表面，Co納米粒子負(fù)載在高導(dǎo)電性的石墨化碳納米片上，提高了整體材料的導(dǎo)電性和質(zhì)荷傳導(dǎo)率。這種Co， N雙參雜的協(xié)同效應(yīng)，很大程度上提高了材料的催化活性和穩(wěn)定性。且這種Co，N雙摻雜三維多孔碳材料，具有較大的比表面積，提高了大量的活性位點(diǎn)，這有利于改善電催化氧還原反應(yīng)和葡萄糖氧化反應(yīng)的催化活性，并有著優(yōu)異的電催化氧還原和葡萄糖氧化 性能。

發(fā)明內(nèi)容

一種電極催化材料的制備方法及其在燃料電池中的應(yīng)用，所述電極催化材料為多孔氮參雜碳納米片包覆Co納米粒子的三維多孔納米結(jié)構(gòu)的電極催化材料，利用單氰胺作為碳和氮源。其制備方法和在燃料電池中的應(yīng)用包括以下三個(gè)步驟：

1）前驅(qū)體材料的制備；將2.37g的Co(NO₃)₂.6H₂O和1.15g的CH₂N₂碾磨10min, 使其充分混合均勻，再將碾磨后所得的粘稠液倒入燒杯中加熱至120°C反應(yīng)5小時(shí)。將所得的蓬松固體碾磨成粉末樣品待用；

2）Co/N-MC-750材料的制備；將上述所得的前驅(qū)體粉末固體至于管式爐中，惰性氣體氛圍下高溫碳化。將蓬松的黑色固體碾磨成粉末，制備成粉末樣。

3）葡萄糖燃料電池的應(yīng)用： Co/N-MC-750催化材料制備成漿液(水, Naion(5%),乙醇的體積比為420：50：30)，將制成的漿液按照2mg/cm²涂在用鈦絲串好的碳布上，分別放入葡萄糖燃料電池的陰陽極，外串聯(lián)一個(gè)外加負(fù)載，用數(shù)據(jù)采集儀采集外加負(fù)載上的電壓。(圖5)