CN104415758A - 一种非贵金属电催化剂的制备方法及应用 - Google Patents

一种非贵金属电催化剂的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非贵金属电催化剂的制备方法和应用，采用碱性化合物为沉淀剂将过渡金属沉积在碳载体上，经洗涤、干燥后在惰性气氛下进行热处理，得到非贵金属电催化剂。本发明操作简单、反应迅速、易于放大合成。本发明所制备的非贵金属电催化剂可应用于燃料电池和金属空气电池。

Description

一种非贵金属电催化剂的制备方法及应用
技术领域
本发明属于非贵金属电催化剂领域，具体涉及一种非贵金属电催化剂的制备方法及应用。
背景技术
近年来，由于化石燃料的大量使用，导致大气中污染物浓度上升，酸雨、烟雾增加，温室效应加重，全球气候变暖，臭氧层遭到破坏，并且化石燃料的开采和运输也影响生态环境。当前世界能源消费以化石资源为主，属于不可再生能源，因此寻找可替代的能源迫在眉睫。燃料电池作为将化学能转变为电能的电化学装置，具有能量转化效率高、环境友好、可持续发电、燃料多样化和比能量高等优点，因此受到广泛关注。阴极氧还原反应是限制燃料电池能量转化效率、成本和稳定性的主要因素之一，氧还原反应催化剂的研究具有重要意义。高性能的氧还原反应催化剂需要满足以下两个条件：低过电位和长寿命。铂基电催化剂具有良好的活性及稳定性，但价格昂贵、资源有限且易被毒化，低铂和非铂电催化剂的研究势在必行。过渡金属氧化物价格低廉、环境友好、储量丰富，在燃料电池中具有潜在应用价值。但过渡金属氧化物导电性较差，碳担载可以增加其导电性，提高电化学活性。
宋丞婉等采用过氧化氢水溶液溶解过渡金属粉末，得到过氧化-金属酸盐溶液，加入含有醇、水及酸的反应溶液，然后进行水热反应得到过渡金属氧化物纳米粒子。水热法制备复合材料需要高压，耗能高，不适用于工业生产。（宋丞婉，李浩庆，崔仁瑛，罗允晧，温曹聪，忠南大学校产学协力财团，申请号200910265733.7）。
周德壁利用微波制备碳黑负载的具有尖晶石结构的过渡金属复合氧化物（AB2O4），按两种金属元素之间的化学计量比取用两种金属的硝酸盐，加蒸馏水配成溶液，再加入碳黑，搅拌反应，离心取沉淀，沉淀洗涤后充分干燥，得到前驱物，然后将其置于微波炉中加热，得到材料，该材料制成空气电池，在电位为-0.2V时，该催化剂ORR电流密度为240mA/cm2（周德壁，天津久聚能源科技发展有限公司，申请号201010255896）该方法生产步骤较为复杂，不适合工业生产。
Suntivich等采用共沉淀方法合成钙钛矿：将稀土和碱土金属硝酸盐以及过渡金属硝酸盐配成溶液混合后加入羟基四甲胺，搅拌得到沉淀，洗涤，干燥后采用800℃以上温度进行热处理，得到产物，其热处理温度较高耗能大，不适合大规模生产（Jin Suntivich，Hubert A.Gasteiger，et al.，NatureChemistry）。
综上所述，已报道的非贵金属电催化剂的制备方法还需要如下改进：1、简化制备过程；2、降低能耗，使其适于快速、大规模生产。
本发明操作简单、环境友好，易于放大合成，且所制备的复合材料在碱性条件下有氧还原活性，可用于燃料电池和金属空气电池。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非贵金属电催化剂的制备方法及应用，该方法简单，易于控制，制备周期短，适于大规模生产。
本发明提供了一种非贵金属电催化剂的制备方法，将碳载体、碱性物质和过渡金属盐水溶液混合均匀；在50-200℃下冷凝回流0.5h以上，获得沉淀物；抽滤，用水将沉淀物洗涤至中性，干燥；在不同的气氛中，200-800℃下热处理0.5-5h，得到非贵金属电催化剂。
本发明制备得到的非贵金属电催化剂中金属氧化物的载量为10-90%。
本发明提供的非贵金属电催化剂的制备方法，所述碳载体为碳黑、活性碳、碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的一种或两种以上的混合物。
本发明提供的非贵金属电催化剂的制备方法，所述碱性物质为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化铍、氢氧化镁、氢氧化锶、氢氧化钙、氢氧化钡、氨水、尿素中的一种或两种以上的混合物。
本发明提供的非贵金属电催化剂的制备方法，所述过渡金属盐为硫酸钪、硫酸钛、硫酸钒、硫酸铬、硫酸锰、硫酸铁、硫酸钴、硫酸镍、硫酸铜、硫酸锌、氯化钪、氯化钛、氯化钒、氯化铬、氯化锰、氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜、氯化锌、溴化钪、溴化钛、溴化钒、溴化铬、溴化锰、溴化铁、溴化钴、溴化镍、溴化铜、溴化锌、碘化钪、碘化钛、碘化钒、碘化铬、碘化锰、碘化铁、碘化钴、碘化镍、碘化铜、碘化锌、硝酸钪、硝酸钛、硝酸钒、硝酸铬、硝酸锰、硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜、硝酸锌、碳酸铬、碳酸铁、碳酸铜中的一种或两种以上的混合物。
本发明提供的非贵金属电催化剂的制备方法，所述碱性物质的浓度为0.001-100g/L。
本发明提供的非贵金属电催化剂的制备方法，所述过渡金属盐水溶液的浓度为1-200mM。
本发明提供的非贵金属电催化剂的制备方法，所述气氛为氮气、氨气、氦气、氩气中的一种或两种以上的混合物。
本发明制备的非贵金属电催化剂可应用于燃料电池或金属空气电池。
与现有报道的制备非贵金属电催化剂的方法相比，本发明具有以下优点：
a）本发明采用一步合成的方法，即可制得非贵金属电催化剂，操作简单、环境友好、耗时短，适于大规模生产。
b）采用所述方法制备的非贵金属电催化剂活性组分载量范围10-90wt%，并且载体选择范围广。
c）有较好的氧还原活性，可以代替碱性燃料电池中的铂基催化剂，减少碱性燃料电池催化剂的成本，也可以应用于金属空气电池。
附图说明
图1  本发明实施例1制备产物的TEM照片；
图2  本发明实施例1制备产物的XRD谱图；
图3  本发明实施例1制备产物的热重谱图；
图4  本发明实施例1制备产物的氧还原曲线；
图5  本发明实施例2制备产物的TEM照片
图6  本发明实施例2制备产物的XRD谱图；
图7  本发明实施例2制备产物的热重谱图；
图8  本发明实施例2制备产物的氧还原曲线。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
实施例1：
将碳黑（型号为EC-600）（80mg）和尿素（1.6g）加入到去离子水（95mL）中，加入氯化钴（65mL，20mM）溶液，超声30min，90℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氩气氛下，300℃热处理2h。
如图1，本发明实施例1制备产物的TEM照片；
如图2，本发明实施例1制备产物的XRD谱图；
如图3，本发明实施例1制备产物的热重谱图；
如图4，本发明实施例1制备产物在氧气饱和的氢氧化钾溶液（0.1mol/L）中的氧还原曲线（5mV/s，1600rpm，25℃，0.4mg/cm2）。
实施例2：金属盐不同
将碳黑（型号为EC-600）（80mg）和尿素（1.6g）加入到去离子水（74mL）中，加入氯化钴（65mL，20mM）溶液，氯化铁（22mL，20mM）溶液超声30min，90℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氩气氛下，300℃热处理2h。
如图5，本发明实施例2制备产物的TEM照片；
如图6，本发明实施例2制备产物的XRD谱图；
如图7，本发明实施例2制备产物的热重谱图；
如图8，本发明实施例2制备产物在氧气饱和的氢氧化钾溶液（0.1mol/L）中的氧还原曲线（5mV/s，1600rpm，25℃，0.4mg/cm2）。
实施例3：碳载体不同
将石墨烯（80mg）和尿素（1.6g）加入到去离子水（95mL）中，加入氯化钴（65mL，20mM）溶液，超声30min，90℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氩气氛下，300℃热处理2h。
实施例4：碱浓度不同
将碳黑（型号为EC-600）（80mg）和尿素（0.00016g）加入到去离子水（95mL）中，加入氯化钴（65mL，20mM）溶液，超声30min，90℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氩气氛下，300℃热处理2h。
实施例5：碱浓度不同
将碳黑（型号为EC-600）（80mg）和尿素（16g）加入到去离子水（95mL）中，加入氯化钴（65mL，20mM）溶液，超声30min，90℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氩气氛下，300℃热处理2h。
实施例6：碱不同、碱浓度不同
将碳黑（型号为EC-600）（80mg）和氢氧化钾（0.00016g）加入到去离子水（95mL）中，加入氯化钴（65mL，20mM）溶液，超声30min，90℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氩气氛下，300℃热处理2h。
实施例7：加热温度不同
将碳黑（型号为EC-600）（80mg）和尿素（1.6g）加入到去离子水（95mL）中，加入氯化钴（65mL，20mM）溶液，超声30min，200℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氩气氛下，300℃热处理2h。
实施例8：超声时间不同
将碳黑（型号为EC-600）（80mg）和尿素（1.6g）加入到去离子水（95mL）中，加入氯化钴（65mL，20mM）溶液，超声4h，90℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氩气氛下，300℃热处理2h。
实施例9：气氛不同
将碳黑（型号为EC-600）（80mg）和尿素（1.6g）加入到去离子水（95mL）中，加入氯化钴（65mL，20mM）溶液，超声30min，90℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氮气氛下，300℃热处理2h。
实施例10：热处理温度不同
将碳黑（型号为EC-600）（80mg）和尿素（1.6g）加入到去离子水（95mL）中，加入氯化钴（65mL，20mM）溶液，超声30min，90℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氩气氛下，800℃热处理2h。
实施例11：热处理温度不同
将碳黑（型号为EC-600）（80mg）和尿素（1.6g）加入到去离子水（95mL）中，加入氯化钴（65mL，20mM）溶液，超声30min，90℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氩气氛下，200℃热处理2h。
实施例12：热处理时间不同
将碳黑（型号为EC-600）（80mg）和尿素（1.6g）加入到去离子水（95mL）中，加入氯化钴（65mL，20mM）溶液，超声30min，90℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氩气氛下，300℃热处理0.5h。
实施例13：金属盐浓度不同
将碳黑（型号为EC-600）（80mg）和尿素（1.6g）加入到去离子水（95mL）中，加入氯化钴（1.3mL，1000mM）溶液，超声30min，90℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氩气氛下，300℃热处理2h。
实施例14：金属盐浓度不同
将碳黑（型号为EC-600）（80mg）和尿素（1.6g）加入氯化钴（260mL，5mM）溶液，超声30min，90℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氩气氛下，300℃热处理2h。
实施例15：金属盐载量不同
将碳黑（型号为EC-600）（40mg）和尿素（0.86g）加入氯化钴（107mL，20mM）溶液，超声30min，90℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氩气氛下，300℃热处理2h。
实施例16：金属盐载量不同
将碳黑（型号为EC-600）（80mg）和尿素（1.6g）加入到去离子水（95mL）中，加入氯化钴（6.0mL，20mM）溶液，超声30min，90℃冷凝回流1h，将所得沉淀用去离子水洗至中性，65℃烘干。在氩气氛下，300℃热处理2h。

Claims (9)

1.一种非贵金属电催化剂的制备方法，其特征在于：将碳载体、碱性物质和过渡金属盐水溶液混合均匀；在50-200℃下冷凝回流0.5h以上，获得沉淀物；抽滤，用水将沉淀物洗涤至中性，干燥；在不同的气氛中，200-800℃下热处理0.5-5h，得到非贵金属电催化剂。
2.按照权利要求1所述非贵金属电催化剂的制备方法，其特征在于：所述碳载体为碳黑、活性碳、碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的一种或两种以上的混合物。
3.按照权利要求1所述非贵金属电催化剂的制备方法，其特征在于：所述碱性物质为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化铍、氢氧化镁、氢氧化锶、氢氧化钙、氢氧化钡、氨水、尿素中的一种或两种以上的混合物。
4.按照权利要求1所述非贵金属电催化剂的制备方法，其特征在于：所述过渡金属盐为硫酸钪、硫酸钛、硫酸钒、硫酸铬、硫酸锰、硫酸铁、硫酸钴、硫酸镍、硫酸铜、硫酸锌、氯化钪、氯化钛、氯化钒、氯化铬、氯化锰、氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜、氯化锌、溴化钪、溴化钛、溴化钒、溴化铬、溴化锰、溴化铁、溴化钴、溴化镍、溴化铜、溴化锌、碘化钪、碘化钛、碘化钒、碘化铬、碘化锰、碘化铁、碘化钴、碘化镍、碘化铜、碘化锌、硝酸钪、硝酸钛、硝酸钒、硝酸铬、硝酸锰、硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜、硝酸锌、碳酸铬、碳酸铁、碳酸铜中的一种或两种以上的混合物。
5.按照权利要求1或3所述非贵金属电催化剂的制备方法，其特征在于：所述碱性物质的浓度为0.001-100g/L。
6.按照权利要求1或4所述非贵金属电催化剂的制备方法，其特征在于：所述过渡金属盐水溶液的浓度为1-200mM。
7.按照权利要求1所述非贵金属电催化剂的制备方法，其特征在于：所述气氛为氮气、氨气、氦气、氩气中的一种或两种以上的混合物。
8.按照权利要求1所述非贵金属电催化剂的制备方法，其特征在于：制备得到的非贵金属电催化剂中金属氧化物在载体上的载量为10-90%。
9.权利要求1所述方法制备的非贵金属电催化剂可应用于燃料电池或金属空气电池。
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