CN102082278A - 含有Fe–N/C的H2O2基燃料电池阴极材料的制备方法 - Google Patents

含有Fe–N/C的H2O2基燃料电池阴极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种含有Fe-N/C的H2O2基燃料电池阴极材料的制备方法。将三氯化铁与硝基苯胺以1∶4的摩尔比混均，然后按Fe与C的质量比为0.1-0.3％加入活性炭混均；将混合物在氮气保护氛围中在150-170℃加热，至硝基苯胺融化；将温度升高到200℃，恒温至无气体逸出，再将温度升至300℃恒温聚合0.5-1h，冷却至室温；在氮气保护下升温至800-1000℃，以3∶1的比例通入氮气与氨气的混合气恒温热解0.5-1.0h，得到Fe-N/C燃料电池阴极材料。本发明利用Fe-N/C作为H2O2直接电还原的催化剂，不但Fe、N和C的储量极其丰富易得，价格低廉，而且催化性能又很稳定。

Description

含有Fe–N/C的H2O2基燃料电池阴极材料的制备方法 
技术领域
本发明涉及的是一种燃料电池阴极材料的制备方法。具体地说是一种以过氧化氢(H2O2)为氧化剂的碱性燃料电池领域的一种含有Fe-N/C的燃料电池阴极材料的制备方法。 
背景技术
H2O2的电还原反应可以在酸性介质或碱性介质中进行。在碱性介质条件下，H2O2作为氧化剂广泛应用与金属半燃料电池、硼氢化钠燃料电池等领域。H2O2是强的氧化剂，可以提高电池的电压；H2O2是液体，携带方便，因此以H2O2作为阴极氧化剂的燃料电池，具有结构简单、不依赖空气环境的突出优点，可广泛用作水下以及太空等缺氧环境中的电源。但是H2O2直接电还原存在两个主要的问题，一是H2O2电还原活性不高，二是H2O2容易分解释放出氧气，这大大降低了电池的性能。H2O2电还原反应同常按两条途径进行，即直接电还原和间接电还原。直接电还原反应如(1)式所示；间接电还原由(2)和(3)式所示，即H2O2首先分解为氧气，氧气再进一步电还原。 
HO2 -+H2O+2e→2OHads -+OH-    (1) 
2H2O2→2H2O+O2              (2) 
O2+2H2O+4e→4OH-            (3) 
在燃料电池阴极的H2O2电还原反应通常是直接和间接途径并存，但直接途径是理想途径。H2O2电还原速率直接影响到燃料电池的效率，因而迫切需要开发高效、廉价和能够催化H2O2直接电还原的催化剂。目前有关H2O2电还原催化剂的研究主要集中在贵金属如钯、铱、金、银及其合金上，贵金属催化剂不但价格昂贵，增加了电池的成本，而且还催化过氧化氢的分解，降低了H2O2的利用率。可参阅Yang W Q，Yang S H，Sun W，Sun G Q，Xin Q.Nanostructuredsilver catalyzed nickel foam cathode for an aluminum-hydrogen peroxide fuel cell.Journal of Power Sources，2006，160：1420-1424，以及George H.M，Nie L，Joseph M，Rodney B，Glenn H，Lifeng G，Ethan B，Richard G，Prajakti J S.David Carroll.DirectNaBH4/H2O2fuel cells.Journal of Power Sources，2007，165：509-516。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种原料储量极其丰富易得，价格低廉，而且催化性能稳定的含 有Fe-N/C的H2O2基燃料电池阴极材料的制备方法。 
本发明的目的是这样实现的： 
将三氯化铁与硝基苯胺以1∶4的摩尔比混均，然后按Fe与C的质量比为0.1-0.3％加入活性炭混均；将混合物在氮气保护氛围中在150-170℃加热，至硝基苯胺融化；将温度升高到200℃，恒温至无气体逸出，再将温度升至300℃恒温聚合0.5-1h，冷却至室温；在氮气保护下升温至800-1000℃，以3∶1的比例通入氮气与氨气的混合气恒温热解0.5-1.0h，得到Fe-N/C燃料电池阴极材料。 
本发明提供了一种以Fe-N/C作为碱性条件下过氧化氢直接电还原的阴极材料的制备方法，克服了贵金属电极价格高，催化活性差以及分解过氧化氢等缺点，解决了金属半燃料电池和硼氢化钠燃料电池阴极活性差的问题。 
本发明的以含有Fe-N/C作为H2O2电还原阴极材料，按(1)式直接还原成氢氧根，再和其它阳极(如铝合金、硼氢化钠等)组成碱性燃料电池。 
本发明的实质是采用金属-H2O2半燃料电池和硼氢化钠-H2O2燃料电池等的电池结构，以Fe-N/C取代钯、金、银等贵金属催化剂，构成燃料电池的阴极。 
本发明的优点在于利用Fe-N/C作为H2O2直接电还原的催化剂，不但Fe、N和C的储量极其丰富易得，价格低廉，而且催化性能又很稳定。 
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述： 
将三氯化铁(无水)与硝基苯胺以1∶4的摩尔比混均，然后按Fe与C的质量比为0.2％加入活性炭混均。将混合物在氮气保护氛围中在160℃加热，至硝基苯胺融化。将温度升高到200℃，恒温至无气体逸出，再将温度升至300℃恒温聚合0.5-1h，冷却至室温。将上述聚合物在氮气保护下升温至800-1000℃，以3∶1的比例通入氮气与氨气的混合气恒温热解0.5-1.0h，即合成了Fe-N/C燃料电池阴极催化剂。 
为了更好地说明本发明的效果，下面以具体实例加以说明。 
1、利用Fe-N/C作为H2O2直接电还原的催化剂、聚四氟乙烯作为粘结剂、泡沫镍作为基体制备电池的阴极；以3mol/L的KOH作为电解液，Nafin-115质子交换摸作为隔膜，铝作为电池的阳极；当H2O2浓度为0.6mol·L-1、KOH浓度为3mol·L-1时电池的开路电压为1.3V，最大功率密度为80.4mW·cm-2。 
2、利用Fe-N/C作为H2O2直接电还原的催化剂、聚四氟乙烯作为粘结剂、泡沫镍作为基体制备电池的阴极，以3mol/L的KOH作为阴极电解液；Nafin-115质子交换摸作为隔膜；以泡沫镍上负载的纳米Pt为阳极，以3mol/L的KOH为阳极电解质溶液，1mol/L的硼氢化钠为燃料；当H2O2浓度为0.6mol·L-1、KOH浓度为3mol·L-1时电池的开路电压为1.2V，最大功率密度为65.4mW·cm-2。 
3、利用FeCo-N/C作为H2O2直接电还原的催化剂、聚四氟乙烯作为粘结剂、泡沫镍作为基体制备电池的阴极；以3mol/L的KOH作为电解液，Nafin-115质子交换摸作为隔膜，铝作为电池的阳极；当H2O2浓度为0.6mol·L-1、KOH浓度为3mol·L-1时电池的开路电压为1.3V，最大功率密度为85.4mW·cm-2。 
4、利用FeCo-N/C作为H2O2直接电还原的催化剂、聚四氟乙烯作为粘结剂、泡沫镍作为基体制备电池的阴极，以3mol/L的KOH作为阴极电解液；Nafin-115质子交换摸作为隔膜；以泡沫镍上负载的纳米Pt为阳极，以3mol/L的KOH为阳极电解质溶液，1mol/L的硼氢化钠为燃料；当H2O2浓度为0.6mol·L-1、KOH浓度为3mol·L-1时电池的开路电压为1.2V，最大功率密度为70.3mW·cm-2。 
5、利用FeNi-N/C作为H2O2直接电还原的催化剂、聚四氟乙烯作为粘结剂、泡沫镍作为基体制备电池的阴极；以3mol/L的KOH作为电解液，Nafin-115质子交换摸作为隔膜，铝作为电池的阳极；当H2O2浓度为0.6mol·L-1、KOH浓度为3mol·L-1时电池的开路电压为1.3V，最大功率密度为76.4mW·cm-2。 
6、利用FeNi-N/C作为H2O2直接电还原的催化剂、聚四氟乙烯作为粘结剂、泡沫镍作为基体制备电池的阴极，以3mol/L的KOH作为阴极电解液；Nafin-115质子交换摸作为隔膜；以泡沫镍上负载的纳米Pt为阳极，以3mol/L的KOH为阳极电解质溶液，1mol/L的硼氢化钠为燃料；当H2O2浓度为0.6mol·L-1、KOH浓度为3mol·L-1时电池的开路电压为1.2V，最大功率密度为66.8mW·cm-2。 

Claims (1)

1.一种含有Fe-N/C的H2O2基燃料电池阴极材料的制备方法，其特征是：将三氯化铁与硝基苯胺以1∶4的摩尔比混均，然后按Fe与C的质量比为0.1-0.3％加入活性炭混均；将混合物在氮气保护氛围中在150-170℃加热，至硝基苯胺融化；将温度升高到200℃，恒温至无气体逸出，再将温度升至300℃恒温聚合0.5-1h，冷却至室温；在氮气保护下升温至800-1000℃，以3∶1的比例通入氮气与氨气的混合气恒温热解0.5-1.0h，得到Fe-N/C燃料电池阴极材料。
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