[發(fā)明專利]一種鎳-氮摻雜碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810055148.3
• 申請日: 2018-01-19
• 公開（公告）號: CN108270017B
• 公開（公告）日: 2020-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張超;李倩倩;劉天西;劉思良;郭和樂
• 申請（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;H01M4/96
• 代理公司: 上海泰能知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 31233
• 代理人: 黃志達;魏峯

本發(fā)明涉及一種鎳?氮摻雜碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，該復(fù)合材料是通過自化學(xué)氣相沉積的方法在層狀雙氫氧化物的層片上原位生長碳管制得；制備方法為：將硝酸鎳、硝酸鎂、硝酸鋁和尿素加入溶劑中反應(yīng)，得到層狀雙氫氧化物，洗滌，配制成溶液，加入鹽酸多巴胺，干燥，加入三聚氰胺，攪拌，碳化，洗滌，再干燥，即得；鎳?氮摻雜碳復(fù)合材料用作燃料電池的氧化還原催化劑。本發(fā)明方法環(huán)保、易于操作，是一種綠色化學(xué)制備方法；鎳?氮摻雜碳復(fù)合材料具有較高的電催化活性和良好的穩(wěn)定性，是燃料電池理想的氧化還原催化劑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于碳納米材料及其制備和應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種鎳-氮摻雜碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、啟動快速、不依賴礦物燃料等重要優(yōu)點，但是價格高昂的鉑催化劑的使用帶來的高成本以及鉑的資源短缺已阻礙了質(zhì)子交換膜燃料電池進一步發(fā)展和商業(yè)化。為了解決這一問題，近十年來，全球在新型非鉑和低鉑催化劑研究方面開展了大量的研究工作，并取得了許多重要成果。核殼結(jié)構(gòu)催化劑是近年來出現(xiàn)的一類十分重要的低鉑催化劑，這種催化劑可使鉑的質(zhì)量活性大幅度提高，鉑的使用量大幅度降低，被認為是最有可能在較短時間內(nèi)獲得實際應(yīng)用的一類低鉑催化劑。然而，目前的核殼結(jié)構(gòu)低鉑催化劑仍然廣泛使用價格昂貴的貴金屬，納米粒子作為核，致使催化劑的成本仍然偏高；此外，目前的核殼結(jié)構(gòu)催化劑仍然使用碳黑作為載體，而碳載體在燃料電池運行環(huán)境中容易受到腐蝕，導(dǎo)致負載的貴金屬的脫落、遷移，從而帶來催化劑的穩(wěn)定性、耐久性問題。因此，開發(fā)新型的低成本、高活性和高穩(wěn)定性的核殼結(jié)構(gòu)催化劑對于促進燃料電池技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化具有十分重要的意義。目前，以過渡金屬催化劑氮摻雜制備的碳復(fù)合材料已經(jīng)具備了在燃料電池發(fā)動機中完全替代鉑碳催化劑的可能性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種鎳-氮摻雜碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，該方法環(huán)保，易于操作；該鎳-氮摻雜碳復(fù)合材料具有較高的電催化活性和良好的穩(wěn)定性，是燃料電池理想的氧化還原催化劑。

本發(fā)明的一種鎳-氮摻雜碳復(fù)合材料是通過自化學(xué)氣相沉積的方法在層狀雙氫氧化物的層片上原位生長碳管制得；其制備原料包括：硝酸鎳、多巴胺和三聚氰胺。

所述層狀雙氫氧化物是由硝酸鎳、硝酸鎂、硝酸鋁和尿素通過溶劑熱合成的。

本發(fā)明的一種鎳-氮摻雜碳復(fù)合材料的制備方法，具體步驟如下：

將硝酸鎳、硝酸鎂、硝酸鋁和尿素以質(zhì)量比為0.3-0.5:1-3:0.8-1.5:25-35加入溶劑中反應(yīng)，得到層狀雙氫氧化物，洗滌，配制成溶液，加入鹽酸多巴胺，得到前驅(qū)體，干燥，加入三聚氰胺，攪拌，碳化，洗滌，再干燥，得到鎳-氮摻雜碳復(fù)合材料，其中，硝酸鎳在溶劑中的濃度為0.01-0.04mol/L，層狀雙氫氧化物與鹽酸多巴胺的質(zhì)量比為1:1-1:3，前驅(qū)體與三聚氰胺的質(zhì)量比為1:2-20。

所述溶劑為去離子水；反應(yīng)溫度為90-100℃。

所述加入鹽酸多巴胺前調(diào)節(jié)溶液的pH值至弱堿性。

所述前驅(qū)體與三聚氰胺的質(zhì)量比為1:2、1:5、1:10或1:20。

所述碳化溫度為700-800℃，碳化時間為1-3h。

所述再干燥是在真空條件下進行，再干燥的溫度為80℃。

本發(fā)明的一種鎳-氮摻雜碳復(fù)合材料用作燃料電池的氧化還原催化劑。