[發明專利]一種燃料電池氧還原電催化劑磷、氮、鎳共摻雜碳材料的制備方法

在審

• 申請號: 201710740595.8
• 申請日: 2017-08-25
• 公開（公告）號: CN107565139A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 張慶;房立;白正宇;賴小偉;楊林;黃茹夢;李珊珊;衡金夢
• 申請（專利權）人: 河南師范大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/96;B82Y40/00
• 代理公司: 新鄉市平原智匯知識產權代理事務所(普通合伙)41139
• 代理人: 路寬

技術領域

本發明屬于燃料電池催化劑的制備技術領域，具體涉及一種燃料電池氧還原電催化劑磷、氮、鎳共摻雜碳材料的制備方法。

背景技術

燃料電池是一種清潔、高效的新型能源，被公認為是理想的能量轉換系統。然而燃料電池的高成本制約了它的商品化進程，是這一領域研究的最重要的關鍵問題之一。燃料電池陰極氧還原反應速率比較慢，往往需要負載較多鉑碳催化劑，導致燃料電池成本很高。因此，有關燃料電池氧還原電催化劑的研究趨勢是圍繞降低催化劑成本和提高其催化活性。摻雜碳基催化劑具有氧還原催化活性高、穩定性好等特點，而且具有原料價格低廉，來源廣泛等優點。因此，摻雜碳基催化劑極有可能取代鉑基催化劑，有很好的應用前景。

具有殼層結構的納米材料在各個領域顯示出巨大的應用潛力，比如殼層材料具有較高的比表面積，其豐富的孔隙也可以促進質量傳遞和電子轉移，十分有利于提高催化劑的活性。合成殼層結構納米材料最常用的方法是模板法，即通過模板的制造和選擇性地刻蝕模板，從而產生期望的空心結構，這種方法涉及冗長的步驟，并且合成效率較低。所以設計簡單、綠色、無模板的方法來合成特殊組成的殼層納米材料具有很大的挑戰。

發明內容

本發明解決的技術問題是提供了一種工藝簡單且成本低廉的燃料電池氧還原電催化劑磷、氮、鎳共摻雜碳材料的制備方法，有效提高了燃料電池氧還原電催化劑的性能。

本發明為解決上述技術問題采用如下技術方案，一種燃料電池氧還原電催化劑磷、氮、鎳共摻雜碳材料的制備方法，其特征在于具體步驟為：將三聚氰胺和焦磷酸與去離子水經超聲分散混合均勻配成溶液，再加入硫酸鎳并攪拌混合均勻得到懸濁液，將得到的懸濁液轉移至高壓反應釜中密封，于150℃反應5h，反應結束后自然冷卻至室溫，將得到的產物用去離子水洗滌直至濾液變為無色，放至真空干燥箱中于80℃干燥至恒重，然后在N₂氣氛下于700℃煅燒4h得到燃料電池氧還原電催化劑雙層空殼球形結構磷、氮、鎳共摻雜碳材料。

進一步優選，所述三聚氰胺、焦磷酸與硫酸鎳的投料質量比為1:1:10。

本發明與現有技術相比具有以下有益效果：

1、本發明首次成功合成了具有雙層空殼球形結構的磷、氮、鎳共摻雜碳材料，該中空結構可以為電極反應提供三相（固-液-氣）區，為電解液的傳輸提供通道，進而提高催化劑的比表面積，增加電催化劑的催化活性；

2、本發明以價格便宜、來源廣泛的過渡金屬化合物為原料，通過簡單的方法設計合成具有特殊納米組裝結構的電催化劑，并且本發明所用方法簡便易行，適合于催化劑的規模化生產；

3、本發明制得的新型燃料電池氧還原電催化劑，與僅有氮摻雜的納米碳催化劑相比，該類催化劑具有更高的活性，磷原子的摻雜為催化材料表面創造了更多帶正電荷的位點，增強了對氧分子吸附，活化了碳共軛體系中豐富的π電子，磷、氮、鎳一起發揮了對碳材料的良好協同效應。

附圖說明

圖1是實施例1制得燃料電池氧還原電催化劑磷、氮、鎳共摻雜碳材料的TEM圖；

圖2是實施例1及對比例1、對比例2、對比例3和對比例4中催化劑的氧還原反應極化曲線。

具體實施方式

以下通過實施例對本發明的上述內容做進一步詳細說明，但不應該將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發明上述內容實現的技術均屬于本發明的范圍。

實施例1

將0.01g三聚氰胺和0.01g焦磷酸與40mL去離子水經超聲分散混合均勻配成溶液，再加入0.1g硫酸鎳并攪拌混合均勻得到懸濁液；將得到的懸濁液轉移至高壓反應釜中密封，于150℃反應5h，反應結束后自然冷卻至室溫，將得到的產物用去離子水洗滌直至濾液變為無色，放至真空干燥箱中于80℃干燥至恒重，然后在N₂氣氛下于700℃煅燒4h得到燃料電池氧還原電催化劑磷、氮、鎳共摻雜碳材料。

由圖1可以看出本實施例制得的磷、氮、鎳共摻雜碳材料為雙層空殼球形結構，這種特殊的材料組成及形貌結構為電解液的傳輸提供通道，進而提高催化劑的比表面積，有效增加電催化劑的催化活性。