[發明專利]一種碳納米管負載氧化鐵氧還原催化劑的制備方法

在審

• 申請號: 201810724327.1
• 申請日: 2018-07-04
• 公開（公告）號: CN108808025A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 趙江;施慶玲;項揚軍;周紫薇;羅勁松;嵇光晗
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 朱海琳;董建林

本發明公開了一種碳納米管負載氧化鐵氧還原催化劑的制備方法，采用在空氣氣氛中利用電弧放電法制備碳納米管負載氧化鐵復合物，所得復合材料中氧化鐵限域在碳納米管的納米級管腔內，與碳納米管協同作用，對氧還原反應具有優異的催化能力，可用于燃料電池及金屬?空氣電池陰極氧還原催化反應。這種非貴金屬催化劑制備方法簡易，成本低廉，可大幅度降低催化劑材料成本，適合推廣應用。

技術領域

本發明涉及一種碳納米管負載氧化鐵氧還原催化劑的制備方法，屬于燃料電池及金屬-空氣電池電催化技術領域。

背景技術

氧還原反應（ORR）是制約燃料電池以及金屬-空氣電池大規模推廣應用的瓶頸，目前，克服其緩慢的反應動力學廣泛使用高催化活性的貴金屬鉑或鉑合金催化劑。然而，鉑金屬價格高昂、儲量稀少，且容易受到一氧化碳中毒和甲醇滲透等問題的影響，從而限制了其應用。因此，開發高性能非貴金屬且具有良好抗一氧化碳和甲醇滲透困擾的ORR催化劑是一項非常重要的研究課題。

碳納米管可以認為是石墨烯片以一定的曲率卷曲后，形成具有規整的納米級管腔結構的碳材料。石墨烯片的卷曲導致石墨結構中大π鍵發生畸變，使電子密度由管內向管外偏移，從而在管內外形成一個表觀電勢差。（包信和.納米限域體系的催化特性[J].中國科學(B輯:化學),2009,39(10):1125-1133.）碳納米管的納米級管腔不僅為納米催化劑和催化反應提供了特定的幾何限域環境，而且其獨特的電子結構將會對管內外催化劑的電子轉移特性有調制作用。從而使得這類“協同限域效應”的碳納米管和金屬及其氧化物納米粒子復合催化劑體系表現出的獨特的催化性能。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種制備方法簡易，成本低廉，且適合大批量的制備的碳納米管負載氧化鐵氧還原催化劑的制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一種碳納米管負載氧化鐵氧還原催化劑的制備方法，包括以下步驟：

（1）陽極石墨電極制備，以石墨粉為碳源、鐵粉為催化劑，按碳、鐵原子摩爾比90:10~94:6將石墨粉與鐵粉混合，研磨6~12小時后，將混合物按3:1~5:1質量比加入粘結劑，攪拌均勻后擠壓成石墨棒，將石墨棒在惰性氣體保護中于600~900℃燒結6~12小時，除去所述粘結劑，即得所述陽極石墨電極；

（2）碳納米管負載氧化鐵氧還原催化劑制備，制備直徑大于所述陽極石墨電極直徑的純石墨棒作為陰極，預先調節好電弧室內的空氣壓強為100 Pa～18 KPa，陰陽兩極接觸引弧并維持電弧放電過程，控制導入空氣的流速和抽出廢氣的流速以維持壓強動態穩定，在電弧放電結束后，收集網狀產物，所得產物在空氣中進行熱處理，即得所述碳納米管負載氧化鐵氧還原催化劑。

電弧放電過程中電流維持在60～90 A，電壓維持在30～60 V。

電弧放電過程中陰、陽兩電極間距保持在1～4 mm之間。

導入空氣與抽出廢氣同時進行，連續、穩定地進行空氣補氣，補氣速率為450～600mL/min。

熱處理溫度為300~450℃，時間為0.5~2小時。

所述碳納米管負載氧化鐵氧還原催化劑應用于燃料電池和金屬-空氣電池陰極氧還原催化反應。

本發明所達到的有益效果：本發明在空氣氣氛中采用電弧放電法制備碳納米管負載氧化鐵復合物，所得復合材料中氧化鐵限域在碳納米管的納米級管腔內，與碳納米管協同作用，對氧還原反應具有優異的催化能力，可用于燃料電池及金屬-空氣電池陰極氧還原反應，這種非貴金屬催化劑制備方法簡易，成本低廉，可大幅度降低催化劑材料成本，適合推廣應用。

附圖說明

圖1為實施例3中在空氣氣氛中采用電弧放電法制備的碳納米管負載氧化鐵復合物的掃描電鏡（SEM）圖。