[發明專利]利用動物糞便制備氮碳材料的方法及作為氧還原催化劑的應用

無效

• 申請號: 201310580946.5
• 申請日: 2013-11-19
• 公開（公告）號: CN103613087A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 王榮方;張爭;馬妍姣;王輝;季山
• 申請（專利權）人: 西北師范大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;H01M4/90
• 代理公司: 甘肅省知識產權事務中心 62100
• 代理人: 張英荷

技術領域

本發明屬于新材料技術領域，涉及一種氮碳材料的制備方法，尤其涉及一種利用動物糞便制備氮碳材料的方法；本發明還涉及該氮碳材料作為氧還原催化劑在燃料電池中的應用。?

背景技術

面對日益嚴重的能源危機和環境污染問題，世界各國都在致力于研究綠色，可持續的能源系統。燃料電池作為一種直接通過電化學反應的方式將燃料中的化學能轉化為電能的發電裝置，具有環境友好、結構簡單、能量轉化率高等突出優點，可有效的解決目前的能源短缺和環境污染等問題，從而被廣泛的研究并且具有很廣闊的應用前景。然而燃料電池氧還原催化劑直接影響燃料電池的性能和壽命。目前碳載鉑及鉑合金由于其優越的催化活性和穩定性而被廣泛的用作低溫燃料電池氧還原催化劑，但是貴金屬鉑由于其價格昂貴、資源匱乏，嚴重的制約了燃料電池的廣泛應用。因此，選擇廉價、易得、無污染的材料作為低溫燃料電池氧還原催化劑材料是發展燃料電池首要解決的問題。

動物糞便是動物的食物殘渣排泄物。糞便是未被吸收的食物殘渣部分。對于未被吸收的殘渣部分，消化道則通過大腸，從肛門以糞便形式排出體外。動物糞便中大多是蛋白質、無機物、脂肪、未消化的食物纖維、脫了水的消化液殘余、以及從腸道脫落的細胞和死掉的細菌，還有維生素K、維生素B等。目前，對于動物糞便的工業化應用主要有下面幾個方向：一是制作有機肥料，二是制作動物飼料，三是作為燃料消耗掉。由于動物糞便中含有大量的碳、氮元素，因此，以動物糞便作為碳源和氮源，經高溫煅燒處理，制作成含氮量較高的碳材料，不僅能夠變廢為寶，而且還解決了低溫燃料電池催化劑成本高昂的問題，對于緩解我們國家資源短缺的現狀具有好似分重要的意義。?

發明內容

本發明的目的是提供一種利用動物糞便制備氮碳材料的方法；

本發明的另一目的是提供一種利用動物糞便制備的氮碳材料作為氧還原催化劑的應用。

一、氮碳材料的制備

本發明利用動物糞便制備氮碳材料的方法，是將動物糞便自然風干后，先在氮氣保護下進行一次碳化處理得碳材料；碳材料用球磨機粉碎后加入到硝酸溶液中，攪拌下活化處理?20～24h，用去離子水洗成中性、烘干；然后加入到FeCl₃/C₂H₅OH溶液中攪拌處理0.5～1?h，直接干燥后繼續球磨6～8?h，最后在氮氣保護下進行二次碳化處理，即得氮碳材料。

所述一次碳化處理的溫度為500～1000?℃下，煅燒時間為6～8?h。

所述硝酸溶液的濃度為1～2?mol/L；一次碳化所得碳材料與硝酸溶液的質量體積比為1:20～1:400?g/mL。

所述FeCl₃/C₂H₅OH溶液的濃度為0.5～3?mol/L；一次碳化所得碳材料與FeCl₃/C₂H₅OH溶液的質量體積比為1:5～1:100?g/mL。

所述二次碳化處理是在500～1000?℃下煅燒2～6?h。

所述干燥是在50～80?℃下鼓風干燥箱中進行。

本發明所采用的動物糞便主要是收集的家畜糞便，即牛、羊、馬、豬、雞、鴨等家畜的糞便。

二、氮碳材料的結構和性能

圖1為本發明制備的氮碳材料的與商業XC-72碳粉的拉曼對比圖。從圖1中可以看出，在1304?cm^-1和1595?cm^-1處分別出現了碳材料的特征峰，說明該碳材料是以石墨化狀態存在的。

圖2為本發明制備的氮碳材料的掃描電鏡圖。從圖2中可以看出，本發明制備的氮碳材料呈現塊狀形貌。

圖3為本發明制備的氮碳材料作為氧還原催化劑與商業XC-72碳粉的催化氧還原反應的氧還原曲線圖。從圖3中可以看出，該氮碳材料作為催化劑與商業XC-72碳粉相比，起始電位和半波電位分別正移了148?mV和95?mV，說明該氮碳材料比傳統商業XC-72碳粉半波電位和起始電位有明顯的提高，表現出更好的氧還原性能。因此，可作為氧還原催化劑應用于燃料電池的氧還原催化反應中。

附圖說明

圖1為本發明制備的氮碳材料與商業XC-72碳粉的拉曼對比圖；

圖2為本發明制備的氮碳材料的掃描電鏡圖；

圖3為本發明制備的氮碳材料與商業XC-72碳粉的催化氧還原反應的氧還原曲線圖。

具體實施方式