CN105107539A - 燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂及其方法 - Google Patents

燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂及其方法 Download PDF

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黎立桂
牛文翰
陈少伟
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Abstract

本发明属于催化剂的技术领域，公开了一种燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂及其方法。所述方法为(1)将2-氟苯胺、三价铁盐以及氧化石墨烯加入去离子水中，搅拌，超声分散，得到分散液；(2)将步骤(1)的分散液转移至水热反应釜中进行水热反应，冷却，过滤，清洗，干燥，得到聚2-氟苯胺-石墨烯片状物；(3)将步骤(2)中的聚2-氟苯胺-石墨烯片状物置于石英管式炉中，通入氮气，升温至700～900℃，保温反应，降温，得到铁氮共掺杂多孔碳催化剂。所述复合催化剂比表面积大、催化性能好、抗甲醇毒化能力强、耐久性好，稳定性高，可应用于燃料电池领域。

Description

燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂及其方法
技术领域
本发明属于催化剂的技术领域，涉及一种多孔碳催化剂，特别涉及一种燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂及其制备方法。
背景技术
燃料电池(FuelCell)是一种将燃料的化学能直接转化为电能的发电装置。高能量密度、高转换效率和环境友好的特性使燃料电池成为未来移动能源和大型发电站的有力竞争者。虽然燃料电池在实际中已经有许多应用，但是其目前还未能大规模商业化，主要是燃料电池的催化剂成本造价太高以及稳定性较差。近年的研究发现，廉价的非金属阴极催化剂有解决上述问题的潜力。在这类阴极催化材料中，以氮掺杂或者氮与其他元素(P,S,Fe,Co等)共掺杂的多孔碳材料的电化学催化性能表现尤为突出。大量的研究表明：多孔碳催化剂的电化学性能主要由多孔碳的比表面积、孔径大小以及其石墨化程度决定。非晶或者石墨化程度低的碳材料在作为燃料电池阴极的电催化剂时，在工作过程中可被逐渐氧化而影响催化剂的催化活性以及稳定性。因此，提高石墨化程度、增大比表面积是提高碳材料催化活性的有效途径。
石墨烯是一种具有优异的导电性、巨大的比表面积、良好的热和化学稳定性的碳材料，目前无论是通过气相法还是液相法均可大批量合成较高质量的石墨烯。石墨烯的高化学稳定性及其作为一种优良的二维电子导体，可以高速输送离子和电子到每个活性物质表面的特点，使其成为氧还原催化剂负载基底的一个理想选择。但是，石墨烯纳米片也易因片层间较强的π-π电子相互作用而团聚。从而导致石墨烯的表面积和电子传输性能大大降低，无法充分发挥石墨烯独特的性能。
将石墨烯和多孔碳材料结合能够有效地解决石墨烯团聚的问题，同时也解决了多孔碳石墨化程度低而引起的催化剂不稳定、导电性能差的问题。目前石墨烯负载的多孔碳材料的合成方法主要涉及以下几种：1)硬模板法：通过沉积硬模板纳米SiO2在石墨烯/碳前躯体异质纳米片表面(Angew.Chem.Int.Ed,2014,53,1570–1574)，然后再高温碳化，刻蚀移除SiO2，最后得到石墨烯负载的多孔碳。2)MOF或COF法：利用直接高温碳化具有多孔结构的碳前驱体材料和石墨烯的混合物，形成石墨烯负载的多孔碳。如金属-有机框架材料ZIF-8和石墨烯的复合物(Angew.Chem.2014,126,14459–14463)或有机框架材料COF(Adv.Mater.,2014,26,3081-3086.)。但是利用以上方法制备石墨烯负载多孔碳材料都存在诸多不足。例如：以SiO2模板法制备多孔碳时，需要经后处理刻蚀SiO2,刻蚀过程会对催化材料的本身结构造成一定的破坏，使材料损失了一部分的活性物质；利用MOF或COF材料造孔虽然可以避免模板刻蚀处理，但是在高温碳化过程中孔道容易坍塌，难以保持其多孔结构，未能提供足够大的电化学活性面积，导致材料的催化活性未能充分发挥。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的制备方法。本发明的制备方法简单，不涉及复杂、耗时的传统模板造孔步骤；并且直接炭化前驱体就可获得所需产品，无需模板刻蚀，活性位免遭刻蚀酸(碱)的腐蚀，最大程度保持了材料的催化性能。
本发明的另一目的在于提供由上述制备方法制备得到的石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂。该多孔碳复合催化剂为片状结构，介孔部分的比表面积大于或等于821m2/g，孔径大小范围为4-50nm，催化燃料电池阴极ORR的起始电位相对标准氢电极可达到0.99V、在催化剂负载量为204μg/cm2的测试条件下于+0.71V处的电子转移数大于或等于3.95，在0.4V的恒电压条件下于含0.1MKOH的水溶液中连续工作2小时以上其电流值下降幅度小于10％，在0.71V的恒电压条件下于含有0.1MKOH和1M甲醇的水溶液中其电流值降低幅度小于5％，性能远优于商业铂碳催化剂的相应电化学性能。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将2-氟苯胺、三价铁盐以及氧化石墨烯加入去离子水中，搅拌，超声分散，得到分散液；
(2)将步骤(1)的分散液转移至水热反应釜中进行水热反应，冷却，过滤，清洗，干燥，得到聚2-氟苯胺-石墨烯片状物，所述聚2-氟苯胺-石墨烯片状物内部嵌有大量非晶FeOOH；
(3)将步骤(2)中的聚2-氟苯胺-石墨烯片状物置于石英管式炉中，通入氮气，升温至700～900℃，保温反应2～3h，降温，得到石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂。
步骤(1)中所述三价铁盐为FeCl3·6H2O，所述2-氟苯胺：三价铁盐：氧化石墨烯的质量比为(0.1～0.4)：(2～8)：(0.008～0.04)，优选为0.2:4:0.017；所述三价铁盐与去离子水的用量比为(2～8)g：40mL；所述搅拌的转速为600～1000rpm，搅拌的时间为8～15min；所述超声分散的时间为20～40min。
步骤(2)中所述水热反应的温度为160～200℃，优选为180℃；所述水热反应的时间为3～6h，优选为4h；所述冷却的温度为室温，所述冷却为自然冷却；所述清洗是指采用去离子水清洗滤渣至滤液无色；所述干燥的温度为45～55℃，优选为50℃；所述干燥的时间为24～36h，优选为24h。
步骤(3)中所述通入氮气的流速为300sccm，所述升温是在通入氮气30min后开始升温，所述升温速率为5～8℃/min，优选为5℃/min；所述保温反应的时间优选为2h，所述降温速率为5～8℃/min，优选为5℃/min。
所述石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂由上述制备方法制备得到。
所述石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂在燃料电池中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明的制备方法简单，通过一步直接水热合成内部嵌有大量非晶FeOOH的聚2-氟苯胺片状物(即碳前驱体)，并不涉及复杂耗时的传统模板法造孔步骤；本发明中非晶的FeOOH充当可挥发性硬模板的作用，直接将碳前驱体高温炭化就可得到所需催化剂，无需传统模板法中的后模板刻蚀、分离蚀、提纯等步骤，使得材料中的活性位免遭刻蚀酸(碱)的腐蚀，最大程度保持了材料的催化性能；本发明的制备方法经济且适合于大规模化生产，并可进行拓展和改造形成更通用的新型多孔碳制备方法，有着巨大的潜在应用前景；
(2)本发明制备的石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂比表面积大、催化性好、抗甲醇毒化能力强、耐久性好，稳定性高；如：介孔部分的比表面积可达821m2/g以上，多孔碳避免了石墨烯之间的团聚，充分暴露了石墨烯上的活性位点，在ORR的催化测试中，相比与商业Pt/C催化剂，其起始电位更正、扩散极限电流密度更高、低过电势条件下电子转移数更高，抗甲醇毒化能力强、耐久性好。
附图说明
图1为实施例1制备的聚2-氟苯胺-石墨烯片状物的SEM图；
图2为实施例1制备的聚2-氟苯胺-石墨烯片状物中元素分布图；
图3为实施例1制备的石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂(N-MC/rGO-800)的SEM图；
图4为实施例1制备的石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂(N-MC/rGO-800)的元素分布图；
图5为实施例1～3制备的石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的比表面积测试曲线，其中实施例1制备的催化剂为N-MC/rGO-800，实施例2制备的催化剂为N-MC/rGO-700，实施例3制备的催化剂为N-MC/rGO-900；
图6为实施例1～3制备的石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的孔径测试曲线，其中实施例1制备的催化剂为N-MC/rGO-800，实施例2制备的催化剂为N-MC/rGO-700，实施例3制备的催化剂为N-MC/rGO-900；
图7为实施例1～3制备的石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂与商用催化剂Pt/C氧还原催化活性曲线，其中实施例1制备的催化剂为N-MC/rGO-800，实施例2制备的催化剂为N-MC/rGO-700，实施例3制备的催化剂为N-MC/rGO-900；
图8为实施例1～3制备的石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂与商用催化剂Pt/C的转移电子数柱状图，其中实施例1制备的催化剂为N-MC/rGO-800，实施例2制备的催化剂为N-MC/rGO-700，实施例3制备的催化剂为N-MC/rGO-900；
图9为实施例1制备的石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂(N-MC/rGO-800)与商用催化剂Pt/C的耐久性曲线图；
图10为实施例1制备的石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂(N-MC/rGO-800)与商用催化剂Pt/C的抗甲醇毒化能力曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将0.2g的2-氟苯胺，4g的FeCl3·6H2O以及0.017g氧化石墨烯同时加入到40mL去离子水中，以800rpm的转速磁力搅拌10min，然后超声分散30min，得到分散液；
(2)将步骤(1)中的分散液转移到嵌有聚四氟乙烯内套的钢制水热反应釜中，并在密封条件下于180℃水热反应4h；将水热反应釜于空气中自然冷却至室温，然后过滤，并将所得滤渣用去离子水清洗至滤液为无色；最后，将清洗过的滤渣于50℃的真空烘箱中干燥24小时，得到内部嵌有大量非晶FeOOH的聚2-氟苯胺-石墨烯片状物，其结构表征如图1所示；元素表征如图2所示，从图中可以看出，元素N，Fe，Cl，F均匀地分布在石墨烯表面，意味着镶嵌有非晶的FeOOH的聚2-氟苯胺成功地被负载在石墨烯上；
(3)将步骤(2)中内嵌有大量非晶FeOOH的聚2-氟苯胺-石墨烯片状物置于石英管式炉中，并通入流速为300sccm的氮气，30分钟后升温至800℃(升温速度为5℃/min)，保温2h，然后再以5℃/min的降温速度降到室温，得到石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂(N-MC/rGO-800)，其结构表征如图3所示；元素表征如图4所示，从图中可以看出，除了大量的C，N元素存在石墨烯的表面，还存在微量的Fe，Cl，F元素，意味着非晶FeOOH与Cl，F元素在高温碳化过程中生成容易挥发的化合物而去除。本发明制备的催化剂比表面积测试结果如图5所示，孔径测试结果如图6所示。从图5、6可知，本发明的催化剂N-MC/rGO-800的表面积为821m2/g，孔径为4～50nm。
催化性能测试：
电化学测试表征是在上海晨华公司生产的CHI750E电化学工作站上以具有三电极体系的测试池中进行，其中铂丝作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，负载有催化剂的玻碳电极作为工作电极。把1mg的催化剂加入到水:异丙醇:Nafion(5％)体积比为4:1:0.025的溶液中，并超声振荡5分钟，以便得到浓度为1mg/mL的催化剂悬浮液，然后取40μL的催化剂悬浮液均匀涂抹在玻碳电极上并于空气中干燥，所得玻碳电极上催化剂的负载量为204μg/cm2，并在氧气饱和的0.1MKOH水溶液中以1600rpm的电极转速下测试催化剂的线性伏安扫描曲线(LSV)。测试结果如图7～10所示。
从图7可知，在ORR反应的极化曲线(即催化剂氧还原催化活性曲线)中，负载有本实施例制备的复合催化剂的电极起始电位相对标准氢电极为+0.99V且较商品Pt/C的值(+0.97V)更大；从图8中可知，负载有本实施例制备的复合催化剂的电极在+0.71V处的电子转移数为3.95，在+0.71V处的极限电流密度为39.3mA/cm2。
图9为复合催化剂耐久性曲线图，耐久性测试条件为负载有催化剂的电极在氧气饱和的0.1MKOH水溶液中以1600rpm的电极转速下，并在0.40V的恒电压条件下进行连续工作。从图9中可知，负载有本实施例制备的复合催化剂在0.40V的恒电压下连续工作22小时其电流值下降10％。
图10为复合催化剂抗甲醇毒化能力曲线图，抗甲醇毒化能力测试条件为负载有催化剂的电极在0.40V的恒电压条件下，于氧气饱和的0.1MKOH水溶液中以1600rpm的电极转速进行测试工作，在工作进行1000s时加入1M甲醇的水溶液中，继续工作，从而得到抗甲醇毒化能力曲线图。从图10中可知，负载有本实施例制备的复合催化剂在0.40V的恒电压下，加入甲醇后，其电流值升高1％。
实施例2
一种燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将0.2g的2-氟苯胺，4g的FeCl3·6H2O以及0.017g氧化石墨烯同时加入到40mL去离子水中，以800rpm的转速磁力搅拌10min，然后超声分散30min，得到分散液；
(2)将步骤(1)中的分散液转移到嵌有聚四氟乙烯内套的钢制水热反应釜中，并在密封条件下于180℃水热反应4h；将水热反应釜于空气中自然冷却至室温，然后过滤，并将所得滤渣用去离子水清洗至滤液为无色；最后，将清洗过的滤渣于50℃的真空烘箱中干燥24小时，得到内部嵌有大量非晶FeOOH的聚2-氟苯胺-石墨烯片状物；元素N，Fe，Cl，F均匀的分布在石墨烯表面，意味着镶嵌有非晶的FeOOH的聚2-氟苯胺成功的负载在石墨烯上；
(3)将步骤(2)中内嵌有大量非晶FeOOH的聚2-氟苯胺-石墨烯片状物置于石英管式炉中，并通入流速为300sccm的氮气，30分钟后升温至700℃(升温速度为5℃/min)，保温2h，然后再以5℃/min的降温速度降到室温，得到石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂(N-MC/rGO-700)；在复合催化剂中除了大量的C，N元素存在石墨烯的表面，还存在微量的Fe，Cl，F元素。本实施例制备的复合催化剂比表面积测试结果如图5所示，孔径测试结果如图6所示。从图5、6可知，本发明的催化剂N-MC/rGO-700的表面积为501m2/g，孔径为4～50nm。
电化学测试方法与实施例1测试方法相同。测试结果如图7～8所示。从图7可知，在ORR反应的极化曲线(即催化剂氧还原催化活性曲线)中，负载有本实施例制备的复合催化剂的电极起始电位相对标准氢电极为+0.90V且较商品Pt/C的值(+0.97V)小；从图8中可知，负载有本实施例制备的复合催化剂的电极在+0.71V处的电子转移数为3.63，在+0.71V处的极限电流密度为1.4mA/cm2。
实施例3
一种燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将0.2g的2-氟苯胺，4g的FeCl3·6H2O以及0.017g氧化石墨烯同时加入到40mL去离子水中，以800rpm的转速磁力搅拌10min，然后超声分散30min，得到分散液；
(2)将所步骤(1)中的分散液转移到嵌有聚四氟乙烯内套的钢制水热反应釜中，并在密封条件下于180℃水热反应4h；将水热反应釜于空气中自然冷却至室温，然后过滤，并将所得滤渣用去离子水清洗至滤液为无色；最后，将清洗过的滤渣于50℃的真空烘箱中干燥24小时，得到内部嵌有大量非晶FeOOH的聚2-氟苯胺-石墨烯片状物；元素N，Fe，Cl，F均匀的分布在石墨烯表面，意味着镶嵌有非晶的FeOOH的聚2-氟苯胺成功的负载在石墨烯上；
(3)将步骤(2)中内嵌有大量非晶FeOOH的聚2-氟苯胺-石墨烯片状物置于石英管式炉中，并通入流速为300sccm的氮气，30分钟后升温至900℃(升温速度为5℃/min)，保温2h，然后再以5℃/min的降温速度降到室温，得到石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂(N-MC/rGO-900)；在复合催化剂中除了大量的C，N元素存在石墨烯的表面，还存在微量的Fe，Cl，F元素。本实施例制备的复合催化剂比表面积测试结果如图5所示，孔径测试结果如图6所示。从图5、6可知，本发明的催化剂N-MC/rGO-900的表面积为1038m2/g，孔径为4～50nm。
电化学测试方法与实施例1测试方法相同。测试结果如图7～8所示。从图7可知，在ORR反应的极化曲线(即催化剂氧还原催化活性曲线)中，负载有本实施例制备的复合催化剂的电极起始电位相对标准氢电极为+0.96V且较商品Pt/C的值(+0.97V)略小；从图8中可知，负载有本实施例制备的复合催化剂的电极在+0.71V处的电子转移数为3.94，在+0.71V处的极限电流密度为7.9mA/cm2。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)将2-氟苯胺、三价铁盐以及氧化石墨烯加入去离子水中，搅拌，超声分散，得到分散液；
(2)将步骤(1)的分散液转移至水热反应釜中进行水热反应，冷却，过滤，清洗，干燥，得到聚2-氟苯胺-石墨烯片状物；
(3)将步骤(2)中的聚2-氟苯胺-石墨烯片状物置于石英管式炉中，通入氮气，升温至700～900℃，保温反应，降温，得到石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂。
2.根据权利要求1所述燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述三价铁盐为FeCl3·6H2O。
3.根据权利要求1所述燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述2-氟苯胺：三价铁盐：氧化石墨烯的质量比为(0.1～0.4)：(2～8)：(0.008～0.04)；所述三价铁盐与去离子水的用量比为(2～8)g：40mL。
4.根据权利要求3所述燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述2-氟苯胺：三价铁盐：氧化石墨烯的质量比为0.2:4:0.017。
5.根据权利要求1所述燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述水热反应的温度为160～200℃；所述水热反应的时间为3～6h；所述清洗是指采用去离子水清洗滤渣至滤液无色；所述干燥的温度为45～55℃；所述干燥的时间为24～36h。
6.根据权利要求5所述燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述水热反应的温度为180℃；所述水热反应的时间为4h；所述干燥的温度为50℃；所述干燥的时间为为24h。
7.根据权利要求1所述燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述搅拌的转速为600～1000rpm，搅拌的时间为8～15min；所述超声分散的时间为20～40min；
步骤(2)中所述冷却的温度为室温，所述冷却为自然冷却。
8.根据权利要求1所述燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述升温是在通入氮气30min后开始升温，所述升温速率为5～8℃/min；所述保温反应的时间为2～3h，所述降温速率为5～8℃/min。
9.根据权利要求1所述燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述升温速率为5℃/min；所述保温反应的时间为2h，所述降温速率为5℃/min。
10.一种由权利要求1～9任一项所述制备方法制备得到的燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂。
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