一種電極催化材料的制備方法及其在葡萄糖燃料電池中的應用與流程

本發明屬于利用一種氮參雜碳納米片包覆co納米粒子的三維多孔納米結構的電極催化材料的制備，以及在葡萄糖燃料電池中的應用。

背景技術：

最近幾十年中，隨著全球環境問題日益突出以及能源危機的加劇，尋找高效率、低成本、清潔的能源轉換體統成為了人們的迫切需要。由于燃料電池具有能量轉換效率高，反應溫度低、產物低污染等優點，因而燃料電池極有可能成為解決環境、能源問題的一種途徑。^[2]而氧還原是燃料電池技術的核心關鍵，燃料電池陰極氧還原動力學緩慢，這就限制了燃料電池技術的提高。^[3]鉑以及鉑合金是目前性能最好的氧還原催化劑，但鉑金屬價格昂貴，且稀缺，加上鉑催化劑穩定性差，抗甲醇性能差等缺點使得燃料電池的應用進一步受到了限制，這就需要研究出價格低廉的高活性非貴金屬或非金屬催化劑來代替鉑基催化劑。

多孔碳材料具有較高的比表面積、較好的導電性、高的化學穩定性，且雜原子（例如：n，b，p，s等）摻雜納米結構碳材料，具有突出的氧還原催化活性，尤其是氮摻雜納米結構碳材料是其中催化活性最好的。近年來碳材料被廣泛研究。最近，多孔碳基負載復合納米結構過度金屬（例如：co，fe，ni等）這類材料，由于協同效應使得整體性能大弧度提高，所以這類材料極有可能代替pt基催化劑，成為最佳商用氧還原催化劑。

為了進一步提高orr催化材料的性能，我們發明了一種氮參雜碳納米片包覆co納米粒子的三維多孔納米結構的電極催化材料。大量的co納米粒子較均一地修飾在碳納米片表面，co納米粒子負載在高導電性的石墨化碳納米片上，提高了整體材料的導電性和質荷傳導率。這種co，n雙參雜的協同效應，很大程度上提高了材料的催化活性和穩定性。且這種co，n雙摻雜三維多孔碳材料，具有較大的比表面積，提高了大量的活性位點，這有利于改善電催化氧還原反應和葡萄糖氧化反應的催化活性，并有著優異的電催化氧還原和葡萄糖氧化性能。

技術實現要素：

一種電極催化材料的制備方法及其在燃料電池中的應用，所述電極催化材料為多孔氮參雜碳納米片包覆co納米粒子的三維多孔納米結構的電極催化材料，利用單氰胺作為碳和氮源。其制備方法和在燃料電池中的應用包括以下三個步驟：

1）前驅體材料的制備；將2.37g的co(no3)2.6h2o和1.15g的ch2n2碾磨10min,使其充分混合均勻，再將碾磨后所得的粘稠液倒入燒杯中加熱至120°c反應5小時。將所得的蓬松固體碾磨成粉末樣品待用；

2）co/n-mc-750材料的制備；將上述所得的前驅體粉末固體至于管式爐中，惰性氣體氛圍下高溫碳化。將蓬松的黑色固體碾磨成粉末，制備成粉末樣。

3）葡萄糖燃料電池的應用：co/n-mc-750催化材料制備成漿液(水,naion(5%),乙醇的體積比為420：50：30)，將制成的漿液按照2mg/cm²涂在用鈦絲串好的碳布上，分別放入葡萄糖燃料電池的陰陽極，外串聯一個外加負載，用數據采集儀采集外加負載上的電壓。(圖5)

步驟(1)中采用的是固態的cn2h2，co(no3)2.6h2o與cn2h2質量分數分別為99.9%、95%。

步驟(1)中co(no3)2.6h2o與cn2h2兩者的質量比為5：4。

步驟(2)中惰性氣體為ar氣或者n2。

步驟(2)中碳化溫度為750℃，碳化時間為5h。

步驟(2)中cn2h2即作為碳源，又作為氮源。

步驟(2)中cn2h2在低溫下聚合的聚合物分解出的氣體充當模板，從而形成三維結構的多孔碳納米片。

步驟(3)中漿液的濃度為10mg/ml。

步驟(3)中外加負荷電阻為150ω。

本發明的優點是：將單氰胺在反應中分解產生的氣體作為氣體模板構建出三維多孔碳結構，這種三維結構促進了質子和電子的傳導效率，石墨化的碳增強了其導電性。這種碳納米材料對orr和gor都具有非常突出的催化性能，且將這種材料分別作為葡萄糖燃料電池的陰陽極催化電極，能使葡萄糖燃料電池陰極和陽極自發進行反應，帶動外加負荷對外輸電能。該材料的制備方法制備工藝簡易，該電極的制備工藝具有潛在應用價值。

附圖說明

圖1是本發明co/n-mc-750材料的xrd圖。

圖2是本發明co/n-mc-750材料掃描電鏡圖。

圖3是本發明co/n-mc-750材料與20%pt/c氧還原性能對比圖。

圖4是本發明co/n-mc-750材料對葡萄糖電流響應效果圖。

圖5是本發明co/n-mc-750材料組裝成葡萄糖燃料電池的實物圖

圖6是本發明co/n-mc-750材料組裝成葡萄糖燃料的循環圖。

具體實施方式

下面結合附圖并通過實施例對本發明作進一步說明，但需要說明的是實施例并不構成對本發明要求保護范圍的限定。

實施案例

1.前驅體材料的合成：將2.37g的co(no3)2.6h2o和1.15g的ch2n2碾磨10min,使其充分混合均勻，再將碾磨后所得的粘稠液倒入燒杯中加熱至120°c反應5小時。將所得的蓬松固體碾磨成粉末樣品待用。

2．co/n-mc-750材料的合成：將上述所得的前驅體粉末固體至于管式爐中，于ar氣體氛圍下，750°c高溫下碳化5h。將蓬松的黑色固體碾磨成粉末，制備成co/n-mc-750粉末樣。

3.將5mg制得的co/n-mc-750粉末材料溶于乙醇和nafion的混合水溶液(乙醇、nafion溶液和去離子水的體積比為1：1：8)制成漿液涂到玻碳電極或旋轉圓盤上，在0.1mkoh的溶液中進行電化學氧還原和葡萄氧化測試，測試的氧還原結果與商用20%的pt/c作比較，結果如圖3所示。

4.上訴所制得的漿液取100ul涂在碳布上，自然晾干后制成葡萄糖燃料電池的電極材料，組裝成燃料電池，如圖5。

技術特征：

技術總結
本發明公布了一種電極催化材料的制備方法，即一種氮參雜碳納米片包覆Co納米粒子的三維多孔納米結構的碳材料。將單氰胺(CN2H2)和六水合硝酸鈷(Co(NO3)2.6H2O)混合均勻后進行固?固反應，制得一種膨松的前驅體，再將前驅體進行高溫碳化，得到最終的電極催化材料。單氰胺既是碳源，也是氮源。本發明的優點是：將單氰胺在反應中分解產生的氣體作為氣體模板構建出三維多孔碳結構，這種三維結構促進了質子和電子的傳導效率，石墨化的碳增強了其導電性。該制備方法制備工藝簡易，該電極的制備工藝具有潛在應用價值。將這種氮參雜碳納米片包覆Co納米粒子的三維多孔納米結構的碳材料分別制備成葡萄糖燃料電池陰極和陽極的催化電極，來催化陰陽極電極反應，從而使其自發進行，帶動外加負荷對外輸出電能。

技術研發人員：次素琴;劉良貞;溫珍海
受保護的技術使用者：南昌航空大學
技術研發日：2017.05.09
技術公布日：2017.09.08