[發明專利]微波水熱法制備硫、氮、鐵共摻雜碳材料燃料電池陰極電催化劑的方法

在審

• 申請號: 201710741277.3
• 申請日: 2017-08-25
• 公開（公告）號: CN107317042A
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 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
• 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，具體涉及一種微波水熱法制備硫、氮、鐵共摻雜碳材料燃料電池陰極電催化劑的方法。

背景技術

燃料電池技術是一種先進的能源技術，它具有能量轉換效率高、環境友好及能量密度高等優點。但是燃料電池陰極的氧還原反應慢，陰極氧還原反應是影響燃料電池電催化反應速度的重要因素。因此，氧還原催化劑是燃料電池電催化研究的熱點之一。

目前，燃料電池的氧還原反應的催化劑基本上采用Pt基材料，因為在目前已知的金屬材料中，金屬鉑對氧還原反應的電催化活性最高。為提高反應速率和轉換效率，往往需要大量的鉑來催化加速陰極的氧還原反應。由于采用鉑的成本太高，嚴重制約了燃料電池的發展。研究開發出價格低廉、氧還原催化活性高的非貴金屬催化劑來替代主流的鉑基催化劑是燃料電池發展的必由之路。

影響非貴金屬催化劑活性的因素很多，如催化劑表面的微觀形貌和狀態、反應物和產物在催化材料中的傳質特性等。其中催化劑的微觀形貌和狀態與制備方法密切相關，采用不同的制備方法，催化劑的形貌狀態有很大的不同，從而對催化劑活性產生很大影響。由于特殊的形態、獨特的化學組成，具有蛋黃蛋殼結構的納米材料在各個領域顯示出巨大的應用潛力，其豐富的孔隙也可以促進質量傳遞和電子轉移，進而提高催化劑的活性。

發明內容

本發明解決的技術問題是提供了一種微波水熱法制備硫、氮、鐵共摻雜碳材料燃料電池陰極電催化劑的方法，該方法制得的硫、氮、鐵共摻雜碳材料具有良好的燃料電池陰極氧還原電催化活性，結合了微波獨特的加熱特性和水熱法的優點，具有操作簡單、重復性好和反應效率高的優點，適合工業化生產和應用。

本發明為解決上述技術問題采用如下技術方案，微波水熱法制備硫、氮、鐵共摻雜碳材料燃料電池陰極電催化劑的方法，其特征在于具體步驟為：將2-氨基-1,3,5-三嗪-4,6-二硫醇和質量濃度為37%的甲醛溶液與去離子水經超聲分散混合均勻配成溶液，再加入氯化鐵并攪拌混合均勻得到懸濁液，將得到的懸濁液移入微波水熱反應釜中，在140℃、400W的微波條件下在微波水熱反應儀中反應30min，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800℃煅燒3h得到硫、氮、鐵共摻雜碳材料燃料電池陰極電催化劑。

進一步優選，所述2-氨基-1,3,5-三嗪-4,6-二硫醇、質量濃度為37%的甲醛溶液與氯化鐵的投料質量比為1:6:10。

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蛋黃蛋殼結構的硫、氮、鐵共摻雜碳材料，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、本發明結合了微波獨特的加熱特性和水熱法的優點，操作簡單、反應速度快、合成時間短、反應條件溫和且反應效率高；

3、本發明制得的新型燃料電池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，硫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，硫、氮、鐵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制得燃料電池陰極電催化劑的TEM圖；

圖2是實施例1及對比例1和對比例2中催化劑的陰極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 2-氨基-1,3,5-三嗪-4,6-二硫醇和0.06g質量濃度為37%的甲醛溶液與40mL去離子水經超聲分散混合均勻配成溶液，再加入0.1g氯化鐵并攪拌混合均勻得到懸濁液；將得到的懸濁液移入100mL的微波水熱反應釜中，在140℃、400W的微波條件下在微波水熱反應儀中反應 30min；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800℃煅燒3h得到硫、氮、鐵共摻雜碳材料燃料電池陰極電催化劑。

由圖1可以看出本實施例制得的硫、氮、鐵共摻雜碳材料為蛋黃蛋殼結構，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。