CN103599784A - 一种铁、氮掺杂的非贵金属催化剂及其制备和应用 - Google Patents

一种铁、氮掺杂的非贵金属催化剂及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铁、氮掺杂的非贵金属催化剂，属于新材料技术领域。该非贵金属催化剂以蔗糖作为碳源，6-苄基腺嘌呤作为氮源，氯化铁为活化剂，经过碳化处理而得，其中，含氮量为5.3～8.4%。通过氧还原测试发现，本发明的铁、氮掺杂的非贵金属催化剂相比传统商业XC-72碳粉，具有更好的氧还原性能。因此，可以作为阴极催化剂材料应用于燃料电池的氧还原催化反应中。

Description

一种铁、氮掺杂的非贵金属催化剂及其制备和应用
技术领域
本发明属于新材料技术领域，涉及一种铁、氮掺杂的非贵金属催化剂，主要用于燃料电池的氧还原催化反应中。 
背景技术
燃料电池作为一种环境友好的能源利用技术，在电动汽车动力电源、移动电源、微型电源及小型发电装置等方面显示出广阔的应用前景。而燃料电池中的阴极氧还原反应无疑是各燃料电池强有力的一个支点，因为氧还原作为一个动力学缓慢的过程，在燃料电池能量储存和转换系统的性能中占主导地位。虽然铂基催化剂作为最基础的阴极催化剂是目前性能最好、使用最广泛的，但是由于其有限的含量、昂贵的价格、以及较差的稳定性使其大规模商业化生产受到了很大的限制。因此，开发高效的具有商业化价值的阴极催化剂就成了人们最具吸引力的一项挑战。 
发明内容
本发明的目的是提供一种铁、氮掺杂的非贵金属催化剂的制备方法；
本发明的另一目的是提供上述铁、氮掺杂的非贵金属催化剂作为氧还原催化剂在制备燃料电池中的应用。
本发明铁、氮掺杂的高效的非贵金属催化剂，是以蔗糖为碳源，以6-苄基腺嘌呤为氮源，氯化铁为活化剂，经过碳化处理而得。具体制备方法为将蔗糖、6-苄基腺嘌呤、氯化铁混合后，先用浓硫酸氧化碳化10～15天，洗涤，干燥，再用球磨罐球磨，然后在氮气保护，600～1000℃下石墨化处理1～3h，得到铁、氮掺杂的非贵金属催化剂。
所述蔗糖、6-苄基腺嘌呤、氯化铁的质量比为25:5:1～20:5:1。
本发明制备的铁、氮掺杂的非贵金属催化剂中，含氮量为5.3～8.4%。
下面对本发明制备的铁、氮掺杂的非贵金属催化剂进行性能测试。
图1为铁、氮掺杂的非贵金属催化剂与商业XC-72碳粉的拉曼对比图。由图1可以看出，铁、氮掺杂的非贵金属催化剂分别在1300 cm-1和1600 cm-1出现了碳材料的特征峰D峰和G峰，说明该材料是以石墨化状态存在的。并且与商业XC-72碳粉相比，峰位没有发生偏移，表明这种新的铁、氮掺杂的碳材料在结构上没有发生变化，仍然保持之前碳材料的石墨型结构。但是由于该催化剂的ID/IG值比商业碳粉更小，所以其石墨化程度更好。
图2为铁、氮掺杂的非贵金属催化剂与商业XC-72碳粉在酸性条件下的氧还原线性扫描伏安曲线图。从图2可以直观看出，与商业XC-72碳粉相比，在铁、氮掺杂的非贵金属催化剂阴极催化剂电极上，氧还原起始电位和半波电位分别正移了550 mV和388mV，说明该材料在酸性条件下比传统商业XC-72碳粉表现出明显更好的氧还原性能。
图3为铁、氮掺杂的非贵金属催化剂与商业XC-72碳粉在碱性条件下的氧还原线性扫描伏安曲线图。从图3中可直观看出，与商业XC-72碳粉相比，在铁、氮掺杂的非贵金属催化剂电极上，氧还原起始电位和半波电位分别正移了242 mV和71mV，说明该材料在碱性条件下比传统商业XC-72碳粉表现出更好的氧还原性能。
综上所述，本发明以蔗糖为碳源，6-苄基腺嘌呤为氮源，氯化铁为活化剂，经过高温碳化处理，得到的铁、氮掺杂的非贵金属催化剂，相比传统商业XC-72碳粉，具有更好的氧还原性能。因此，可以作为阴极催化剂材料应用于燃料电池的氧还原催化反应中。
附图说明
图1为氯化铁活化的含氮嘌呤阴极催化剂和商业XC-72碳粉的拉曼对比图；
图2为氯化铁活化的含氮嘌呤阴极催化剂和商业XC-72碳粉在碱性条件下的催化氧还原极化曲线图；
图3为氯化铁活化的含氮嘌呤阴极催化剂和商业XC-72碳粉在酸性条件下的催化氧还原极化曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的氯化铁活化的含氮嘌呤阴极催化剂及其制备作进一步说明。
实施例1
称取蔗糖1000g， 6-苄基腺嘌呤250g，FeCl350g，充分混合后加入到20ml浓硫酸中，在常温下氧化碳化14天后洗涤，烘干，用球磨罐球磨；最后在管式炉中，氮气保护，600℃下石墨化处理2h，得到氯化铁活化的含氮嘌呤阴极催化剂。
通过氧还原测试发现，在酸性条件下氯化铁活化的含氮嘌呤阴极催化剂电极上，氧还原反应的起始电位和半波电位分别正移了487mV和293mV；再碱性条件下，氧还原反应的起始电位和半波电位分别正移了220 mV和56mV。
实施例2
称取蔗糖1250g， 6-苄基腺嘌呤250g，FeCl350g，充分混合后加入到20ml浓硫酸中，在常温下氧化碳化14天后洗涤，烘干，用球磨罐球磨；最后在管式炉中，氮气保护，700℃下石墨化处理1h，得到氯化铁活化的含氮嘌呤阴极催化剂。
通过氧还原测试发现，在酸性条件下氯化铁活化的含氮嘌呤阴极催化剂电极上，氧还原反应的起始电位和半波电位分别正移了466mV和287mV；在碱性条件下，氧还原反应的起始电位和半波电位分别正移了215 mV和52mV。
实施例3
称取蔗糖1000g， 6-苄基腺嘌呤250g，FeCl350g，充分混合后加入到20ml浓硫酸中，在常温下氧化碳化14天后洗涤，烘干，用球磨罐球磨；最后在管式炉中，氮气保护，800℃下石墨化处理2h，得到氯化铁活化的含氮嘌呤阴极催化剂。
通过氧还原测试发现，在酸性条件下氯化铁活化的含氮嘌呤阴极催化剂电极上，氧还原反应的起始电位和半波电位分别正移了550mV和388mV；在碱性条件下，氧还原反应的起始电位和半波电位分别正移了242 mV和71mV。
实施例4
称取蔗糖1000g， 6-苄基腺嘌呤250g，FeCl350g，充分混合后加入到20ml浓硫酸中，在常温下氧化碳化15天后洗涤，烘干，用球磨罐球磨；最后在管式炉中，氮气保护，900℃下石墨化处理3h，得到氯化铁活化的含氮嘌呤阴极催化剂。
通过氧还原测试发现，在酸性条件下氯化铁活化的含氮嘌呤阴极催化剂电极上，氧还原反应的起始电位和半波电位分别正移了552mV和376mV；碱性条件下，氧还原反应的起始电位和半波电位分别正移了238 mV和69mV。
实施例5
称取蔗糖1250g， 6-苄基腺嘌呤250g，FeCl350g，充分混合后加入到20ml浓硫酸中，在常温下氧化碳化14天后洗涤，烘干，用球磨罐球磨；最后在管式炉中，氮气保护，1000℃下石墨化处理2h，得到氯化铁活化的含氮嘌呤阴极催化剂。
氧还原性能测试结果：在酸性条件下氯化铁活化的含氮嘌呤阴极催化剂电极上，氧还原反应的起始电位和半波电位分别正移了548mV和372mV；在碱性条件下，氧还原反应的起始电位和半波电位分别正移了235mV和67mV。 

Claims (4)

1.一种铁、氮掺杂的非贵金属催化剂，是以蔗糖为碳源，以6-苄基腺嘌呤为氮源，氯化铁为活化剂，经过碳化处理而得。
2.如权利要求1所述铁、氮掺杂的非贵金属催化剂的制备方法，是将蔗糖、6-苄基腺嘌呤、氯化铁混合后，先用浓硫酸氧化碳化10～15天，洗涤，干燥，再用球磨罐球磨，然后在氮气保护，600～1000℃下石墨化处理1～3h，得到铁、氮掺杂的非贵金属催化剂。
3.如权利要求1所述铁、氮掺杂的非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于：所述蔗糖、6-苄基腺嘌呤、氯化铁的质量比为25:5:1～20:5:1。
4.如权利要求1所述铁、氮掺杂的非贵金属催化剂作为氧还原催化剂在制备燃料电池中的应用。
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