CN102302939A - 一种无金属氮掺杂石墨化多孔碳基氧还原催化剂的制备方法 - Google Patents

一种无金属氮掺杂石墨化多孔碳基氧还原催化剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮掺杂的石墨化多孔碳基氧还原催化剂，催化剂中氮原子掺杂量为5到8%。本发明所述氮掺杂的石墨化多孔碳基材料的制备方法是采用多孔无机氧化物SiO2或Al2O3为硬模板，含氮芳香化合物为前驱体，通过纳米浇筑技术将前驱体分子填入模板中，在通过在惰性气氛保护下进行加热处理后，除去无机氧化物模板后得到产物，它可以作为碱性电解液氧还原反应催化剂使用，具有极好的催化活性和稳定性。

Description

一种无金属氮掺杂石墨化多孔碳基氧还原催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种无金属掺杂石墨化多孔碳基氧还原催化剂的制备方法，特别是一种用于燃料电池的无金属碳基氧还原催化剂的制备方法，属化学化工催化剂制备工艺技术领域。
背景技术
    燃料电池是一种把化学能直接转化为电能的能源转换装置，不受卡诺热机原理限制，只要提供燃料就可以持续输出电能，具有能量密度高，能量转化效率高和无污染等优点。目前燃料电池中常用阴极氧还原反应催化剂为碳载铂(Pt/C)，但Pt是一种稀有金属，价格昂贵且稳定性不高，而且易因体系中存在的一氧化碳和甲醇而失活，因此大大提高了燃料电池的成本，从而一定程度上阻碍了燃料电池的商业化进程。因此有必要寻找一种廉价易得的氧还原催化剂来替代Pt，以达到降低燃料电池成本的目的。
    经过对现有技术文献的检索发现，目前报道的氧还原催化剂绝大部分是含有过渡金属的复合材料，无金属氮掺杂碳基氧还原催化剂具有催化活性高、稳定性好、成本低等优势，但相关研究很少，目前仅有一篇关于无金属氮掺杂碳基氧还原催化剂专利报道（中国专利申请号201010197453.X），该技术公开了一类静电纺丝技术制备的氮掺杂碳纳米纤维氧还原催化剂的制备方法，但静电纺丝技术制备的碳纤维中分子取向性较差，因而催化剂的导电性和强度都不高，而且该专利并未报道催化剂对氧还原过程的选择性、抗甲醇毒性及稳定性等重要技术指标。
发明内容
    本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供具有优异的氧还原催化性能的无金属氮掺杂石墨化多孔碳基氧还原催化剂的制备方法。
    本发明一种无金属氮掺杂石墨化多孔碳基氧还原催化剂的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：
    a. 选取含氮芳香化合物为前驱体，将其溶解于溶剂中，配制成10～30wt%的溶液；所述的含氮芳香化合物为芘二酰亚胺、无金属酞菁或氨基芘中的任一种；所述的溶剂为丙酮、四氢呋喃或甲苯中的任一种；
    b. 将作为硬模板的多孔二氧化硅或氧化铝加入到上述溶有含氮芳香化合物的溶液中，搅拌24小时；然后将所得溶液置于旋转蒸发仪中蒸干溶剂，再放置干烘箱中在80～100℃下烘干8～12小时，以除去残余溶剂；将得到的固体研磨成粉末；所述的多孔二氧化硅或多孔氧化铝其平均孔径为100～200nm；
    c. 将上述所得粉末置于管式炉中，通入惰性气体，升温速度为5～10℃/分钟，升温至600～1000℃，并保温2～5小时，然后随炉冷却至室温，收集得到的粉末；所述的惰性气体为氮气或氩气；
    d. 将上述收集得到的粉末置于10～20wt%的氢氟酸或3～5摩尔/升的氢氧化钠水溶液中；所用的粉末与HF或NaOH的质量比为0.2～0.5；搅拌48～72小时后，离心除去液体，将得到的固体在90～110℃烘干，即得氧还原催化剂。
本发明的优点及特点：
    本发明所述的无金属氧还原催化剂的氮掺杂多孔碳材料具有大的比表面积、多孔结构、高的石墨化程度和可调节的氮原子掺杂量。这些结构特点不仅有利于物质的传输和增加催化活性位，同时能够增强材料的抗腐蚀性，提高催化剂的稳定性。本发明所用含氮芳香前驱体具有很强的自组装能力和良好的热稳定性，可以在纳米限制空间内通过分子间π-π作用有序排列，在较低的碳化温度下即可形成高度石墨化的氮掺杂碳材料，所需实验条件温和，结果重复性好，而且制备过程没有任何金属参与。
    本发明所制得的氧还原催化剂经研钵磨细后，超声分散于nifion的乙醇溶液中得到均一的悬浮液，将其涂布于旋转环盘工作电极，Ag/AgCl为参比电极，Pt丝为对电极，组成三电极测试体系，以氧气饱和的 0.1 M KOH水溶液为电解质，进行循环伏安测试，结果表明，本发明的氧还原催化剂具有高的四电子路径选择性（n=3.9）、抗甲醇毒性和优秀的氧还原催化活性（本发明催化剂在-0.35V动力学电流密度J k=9.15mAcm-2），是商业化Pt/C催化剂（在-0.35V动力学电流密度J k=4.44mAcm-2）的2倍多；同时，具有比Pt/C（（在-0.26V下，20000s电流为原来的52.0%）更为优秀的稳定性（本发明催化剂在-0.26V下，20000s电流仍然保持原来的84.7%）。
    本发明采用的制备方法工艺简单易行，所用原料及设备廉价易得，能够规模化生产。本发明所制得的氮掺杂石墨化介孔碳基氧还原催化剂的孔径可以根据使用无机多孔SiO2或Al2O3硬模板在200～300nm范围进行调节，氮原子掺杂量在5～8wt%范围进行调节。所得催化剂对碱性电解质中的氧还原反应具有高催化活性和稳定性。
附图说明
    图1. 按实施例1所制备的催化剂的扫描电子显微镜（A）和透射电子显微镜（B）照片。插图为催化剂的选区电子散射图谱。
    图2. 按实施例1所制备的催化剂的循环伏安曲线（测试条件：氧气饱和的0.1M NaOH溶液、氧气饱和的3M CH3OH+0.1M NaOH溶液、Ar饱和的0.1 M NaOH溶液。
    图3. 商业化Pt/C催化剂（E-Teck, Agrich）的循环伏安曲线（测试条件：氧气饱和的0.1M NaOH溶液、氧气饱和的3M CH3OH+0.1M NaOH溶液、Ar饱和的0.1 M NaOH溶液。
    图4. 按实施例1所制备的催化剂在不同转速下的旋转圆盘伏安曲线（测试条件：旋转圆盘电极，氧气饱和的0.1MNaOH溶液，扫速为10 mV/s）。
    图5. 按实施例1，2，3所制备的催化剂和对比例催化剂在不同转速下的旋转圆盘伏安曲线（测试条件：旋转圆盘电极，氧气饱和的0.1MNaOH溶液，扫速为10 mV/s）。
    图6. 按实施例1所制备的催化剂和商业化的Pt/C催化剂（E-Teck, Agrich）的电流～时间的即时安培曲线。（测试条件：旋转圆盘电极，氧气饱和的0.1MNaOH溶液，扫速为10 mV/s条件，工作电压-0.26V，转速1600rpm。）
 具体实施方式
    下面通过对本发明的实施例作详细说明。
实施例1
    （1）称取1.50g苝二酰亚胺，置于100ml烧杯中，加入60ml丙酮，搅拌30分钟，
    （2）称取1.00g多孔二氧化硅SBA-15加入上述溶液中，室温下搅拌所得混合物24小时；
    （3）将混合溶液转移至旋转蒸发仪，除去溶剂，将得到的固体置于100摄氏度烘箱中12小时，除去残余溶剂，再将得到固体研磨成粉末；
    （4）将上述步骤得到的粉末置于管式炉中，通入氮气，15小时升温至900摄氏度，在目标温度保持5小时后自然冷却至室温，收集得到的粉末，标记为PDI- 900；
    （5）将上一步得到的粉末置于50ml 10wt%的氢氟酸中，搅拌48小时后离心除去液体后将得到的碳粉在100摄氏度烘干即得到目标氧还原催化剂。
催化剂性能测试方法（以下各实施例得到催化剂及用于对比的商业化Pt/C催化剂（E-Teck, Agrich）均用此方法测试）
    （1）称取催化剂2.0mg，加入到2.0ml 0.5wt%的Nafion乙醇溶液中，超声分散15min，用微量移液枪移取上述催化剂浆液1.8μL滴加到直径为3mm的旋转圆盘玻璃碳电极上（Autolab），在空气下自然干燥。
    （2）电化学测试在PARSTAT 2273恒电位仪上进行。将上述电极作为工作电极置于氧气饱和的0.1M NaOH溶液中，以Ag/AgCl (3M KCl)电极为参比电极，铂丝为对电极，分别以5，10，25，50，100 mV/s的扫速进行循环伏安扫描。
    （3）在上述体系中，以10mV/s的扫速，旋转圆盘电极不同的转速225，400，625，900，1225，1600，2025，2500，3025和3600rpm下的极化曲线，考察该催化剂氧还原过程的反应动力学。
    （4）在上述体系中，在（2）中循环伏安扫描曲线中的还原峰对应的电位下（-0.26 V），以转速1600 rpm进行电流～时间的即时安培相响应。
实施例2
    （1）称取1.50g苝二酰亚胺，置于100ml烧杯中，加入60ml丙酮，搅拌30分钟，
    （2）称取1.00g多孔二氧化硅SBA-15加入上述溶液中，室温下搅拌所得混合物24小时；
    （3）将混合溶液转移至旋转蒸发仪，除去溶剂，将得到的固体置于100摄氏度烘箱中12小时，除去残余溶剂，再将得到固体研磨成粉末；
    （4）将上述步骤得到的粉末置于管式炉中，通入氮气，12小时内升温至750摄氏度，在该温度保持5小时后自然冷却至室温，收集得到的粉末，标记为PDI-750；
    （5）将上一步得到的粉末置于50ml 10wt %的氢氟酸中，搅拌48小时后离心除去液体后将得到的碳粉在100摄氏度烘干即得到氧还原催化剂。
实施例3
    （1）称取1.50g苝二酰亚胺，置于100ml烧杯中，加入60ml四氢呋喃，搅拌30分钟，
    （2）称取1.00g多孔二氧化硅MCM-41加入上述溶液中，室温下搅拌所得混合物24小时；
    （3）将混合溶液转移至旋转蒸发仪，除去溶剂，将得到的固体置于100摄氏度烘箱中12小时，除去残余溶剂，再将得到固体研磨成粉末；
    （4）将上述步骤得到的粉末置于管式炉中，通入氮气，10小时内升温至600摄氏度，在该温度保持5小时后自然冷却至室温，收集得到的粉末，标记为PDI-600；
    （5）将上一步得到的粉末置于50m l10wt %的氢氟酸中，搅拌48小时后离心除去液体后将得到的碳粉在100摄氏度烘干即得到氧还原催化剂。
实施例4
    （1）称取1.50g无金属酞菁，置于100ml烧杯中，加入60ml丙酮，搅拌30分钟，
    （2）称取1.00g多孔二氧化硅SBA-15加入上述溶液中，室温下搅拌所得混合物24小时；
    （3）将混合溶液转移至旋转蒸发仪，除去溶剂，将得到的固体置于80摄氏度烘箱中8小时，除去残余溶剂，再将得到固体研磨成粉末；
    （4）将上述步骤得到的粉末置于管式炉中，通入氮气，15小时内升温至900摄氏度，在该温度保持5小时后自然冷却至室温，收集得到的粉末；
    （5）将上一步得到的粉末置于50ml 10wt %的氢氟酸中，搅拌48小时后离心除去液体后将得到的碳粉在100摄氏度烘干即得到氧还原催化剂。
 实施例5
    （1）称取1.50g苝二酰亚胺，置于100ml烧杯中，加入60ml丙酮，搅拌30分钟，
    （2）称取1.00g多孔二氧化硅MCM-41加入上述溶液中，室温下搅拌所得混合物24小时；
    （3）将混合溶液转移至旋转蒸发仪，除去溶剂，将得到的固体置于100摄氏度烘箱中12小时，除去残余溶剂，再将得到固体研磨成粉末；
    （4）将上述步骤得到的粉末置于管式炉中，通入氮气，15小时内升温至900摄氏度，在该温度保持5小时后自然冷却至室温，收集得到的粉末；
    （5）将上一步得到的粉末置于50ml 10wt%的氢氟酸中，搅拌48小时后离心除去液体后将得到的碳粉在100摄氏度烘干即得到氧还原催化剂。
实施例6
    （1）称取1.50g苝二酰亚胺，置于100ml烧杯中，加入60ml丙酮，搅拌30分钟，
    （2）称取1.00g多孔氧化铝（孔径200nm）加入上述溶液中，室温下搅拌所得混合物24小时；
    （3）将混合溶液转移至旋转蒸发仪，除去溶剂，将得到的固体置于100摄氏度烘箱中12小时，除去残余溶剂，再将得到固体研磨成粉末；
    （4）将上述步骤得到的粉末置于管式炉中，通入氮气，15小时内升温至900摄氏度，在该温度保持5小时后自然冷却至室温，收集得到的粉末；
    （5）将上一步得到的粉末置于4摩尔/升的氢氧化钠水溶液中，搅拌72小时后离心除去液体后将得到的碳粉在100摄氏度烘干即得到氧还原催化剂。
性能测试方法如下所述：
    （1）称取上述催化剂2.0mg，加入到2.0ml 0.5wt%的Nafion乙醇溶液中，超声分散15min得到均一的悬浮液，用微量移液枪移取上述催化剂浆液1.8uL滴加到直径为3mm的旋转圆盘玻璃碳电极上（Autolab），在空气下自然干燥。
    （2）电化学测试在PARSTAT 2273恒电位仪上进行。将上述电极作为工作电极置于氧气饱和的0.1M NaOH溶液中，以Ag/AgCI（3M KCI）电极为参比电极，铂丝为对电极，在转速225、400、625、900、1225、1600、2025、2500、3025和3600rpm下，10mV/s的扫速下的极化曲线。
对比例的性能测试方法
    （1）以商业化的Pt/C（E-Teck，Agrich）为对比样品，称取Pt/C催化剂2.0mg，加入到2.0ml 0.5wt%的Nafion乙醇溶液中，超声分散15min，用微量移液枪移取上述悬浮液1.8uL滴加到直径为3mm的旋转圆盘玻璃碳电极（Autolab），在空气下自然干燥。
    （2）电化学测试在PARSTAT 2273恒电位仪上进行。将上述电极作为工作电极置于氧气饱和的0.1M NaOH溶液中，以Ag/AgCI（3M KCI）电极为参比电极，铂丝为对电极，分别以10mV/s的扫速进行循环伏安扫描。
    （3）将上述电极作为工作电极置于氧气饱和的0.1M NaOH溶液中，以Ag/AgCI（3M KCI）电极为参比电极，铂丝为对电极，在转速225、400、625、900、1225、1600、2025、2500、3025和3600rpm下，10mV/s的扫速下的极化曲线。

Claims (1)

1.一种无金属氮掺杂石墨化多孔碳基氧还原催化剂的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：
    a. 选取含氮芳香化合物为前驱体，将其溶解于溶剂中，配制成10～30wt%的溶液；所述的含氮芳香化合物为芘二酰亚胺、无金属酞菁或氨基芘中的任一种；所述的溶剂为丙酮、四氢呋喃或甲苯中的任一种；
    b. 将作为硬模板的多孔二氧化硅或氧化铝加入到上述溶有含氮芳香化合物的溶液中，搅拌24小时；然后将所得溶液置于旋转蒸发仪中蒸干溶剂，再放置干烘箱中在80～100℃下烘干8～12小时，以除去残余溶剂；将得到的固体研磨成粉末；所述的多孔二氧化硅或多孔氧化铝其平均孔径为100～200nm；
    c. 将上述所得粉末置于管式炉中，通入惰性气体，升温速度为5～10℃/分钟，升温至600～1000℃，并保温2～5小时，然后随炉冷却至室温，收集得到的粉末；所述的惰性气体为氮气或氩气；
    d. 将上述收集得到的粉末置于10～20wt%的氢氟酸或3～5摩尔/升的氢氧化钠水溶液中；所用的粉末与HF或NaOH的质量比为0.2～0.5；搅拌48～72小时后，离心除去液体，将得到的固体在90～110℃烘干，即得氧还原催化剂。
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