一种氮掺杂的镍/碳高性能乙醇氧化催化剂的制备方法与流程

本发明涉及一种乙醇催化氧化剂的制备方法，具体涉及一种氮掺杂的镍/碳高性能乙醇氧化催化剂的制备方法。

背景技术：

近些年来，随着对能源的需求和对环境保护的要求越来越高，人们对于具有高效、清洁、对人体无毒害的燃料电池等新能源技术的使用愿望变得越来越迫切。直接液体燃料电池可以利用甲醇作燃料，但甲醇有一定的毒性，因此必须探索新的液体以替代有毒的甲醇，乙醇可再生，且无毒、来源丰富、使用安全，实际应用潜力巨大，可以替代直接甲醇燃料电池。目前，研究最多的直接乙醇燃料电池催化剂仍是铂和钯类材料。这些材料资源稀少，价格昂贵，且催化过程中易中毒导致催化活性降低，运行寿命短，其大规模商业化应用受到了严重的制约。

因此，使催化剂电催化活性提高，成本更加降低，是直接乙醇燃料电池研究开发的重要内容。例如，介孔的Ni/Ni(OH)₂催化剂，提供了大的比表面积，促进传质，并有效地提高乙醇氧化反应的电催化性能。无模板法制备的高分散介孔NiCo₂O₄催化剂乙醇催化氧化有很好的性能。本发明利用葡萄糖乙酸镍和尿素形成了一种非贵金属催化剂，这对提高直接乙醇燃料电池等能源转换装置商业化发展有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种氮掺杂的镍/碳高性能乙醇氧化催化剂的制备方法，制备的催化剂对乙醇氧化催化活性和长期稳定性有所提高，并且，实用过程中应用的乙醇价格低廉，方便携带，且无毒，具备较高的实用价值。

本发明的氮掺杂的镍/碳高性能乙醇氧化催化剂的制备方法，包括以下步骤：将葡萄糖、尿素、乙酸镍和水以1∶0.15～0.6∶0.10～0.55∶15的质量比称量后置于烧杯中，在室温下搅拌20～60min，在80～100℃干燥8～12h；然后在氮气气氛下以1～5℃/min的升温速率升温到600～1000℃，在最高温度恒温0～5h；然后在氮气氛围下自然降温至室温；蒸馏水中煮沸洗涤至中性，于60～100℃干燥1～10h即得到镍氮/碳高性能乙醇氧化催化剂。

以葡萄糖为碳源，多孔碳提供了一个高的比表面积和更多的活性位点，并且微孔促进乙醇的扩散，以及碳包覆镍纳米粒子使其更稳定。小尺寸的镍纳米粒子具有较高的催化活性。此外，氮掺杂提供了丰富的氮官能团和更多的催化位点。这些催化剂的结构特征可以提高乙醇氧化的电催化性能，包括更高的电流密度，较低的起始电位和良好的循环稳定性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清晰，本发明提供如下附图进行说明：

图1为实施例1制备的氮掺杂的镍/碳高性能乙醇氧化催化剂的EDAX图；

图2为实施例1制备的氮掺杂的镍/碳高性能乙醇氧化催化剂的XRD图；

图3为实施例1制备的氮掺杂的镍/碳高性能乙醇氧化催化剂在0.1M NaOH+0.5M C₂H₅OH溶液中的循环伏安曲线图。

具体实施方式

实施例1

一种氮掺杂的镍/碳高性能乙醇氧化催化剂制备方法，包括如下步骤：分别将2.0g葡萄糖、2.3g尿素、0.5g乙酸镍和50ml水置于100ml烧杯中，在室温下搅拌30min，在80℃干燥12h；然后在氮气气氛下以3℃/min的升温速率升温到800℃，在最高温度恒温2h；然后在氮气氛围下自然降温至室温；蒸馏水中煮沸洗涤至中性，于100℃干燥2h即得到镍氮/碳高性能乙醇氧化催化剂。图1为氮掺杂的镍/碳高性能乙醇氧化催化剂的EDAX图，从图中明显的看出了球状结构，并且碳氮镍元素都均匀分布。图2为制备的氮掺杂的镍/碳高性能乙醇氧化催化剂的XRD图，从图中可以看出面心立方金属镍分别对应于(111)，(200)和(220)晶面，并且通过计算可以得出镍颗粒尺寸的大小。图3为制备的氮掺杂的镍/碳高性能乙醇氧化催化剂在0.1M NaOH+0.5M C₂H₅OH溶液中的循环伏安曲线图，可以看出镍氮/碳催化剂表现出很高的电流密度(250mA cm^-2)，并且通过循环500圈以后，电流密度仍然可以保持90％，说明制备的氮掺杂的镍/碳催化剂具有优良的乙醇氧化催化性能，这良好的性能得益于小的镍纳米颗粒(2.02nm)和丰富的氮官能团。

实施例2

一种氮掺杂的镍/碳高性能乙醇氧化催化剂制备方法，包括如下步骤：分别将2.0g葡萄糖、1.8g尿素、0.5g乙酸镍和50ml水置于100ml烧杯中，在室温下搅拌30min，在80℃干燥12h；然后在氮气气氛下以2℃/min的升温速率升温到900℃，在最高温度恒温2h；然后在氮气氛围下自然降温至室温；蒸馏水中煮沸洗涤至中性，于100℃干燥2h即得到镍氮/碳高性能乙醇氧化催化剂。由此制备的催化剂形貌比较不规则，有少量的团聚现象，并且分布不均匀，且相对于实例1，电流密度有所下降(210mA cm^-2)并且镍纳米颗粒明显增大。

实施例3

一种氮掺杂的镍/碳高性能乙醇氧化催化剂制备方法，包括如下步骤：分别将2.0g葡萄糖、1.8g尿素、0.5g乙酸镍和50ml水置于100ml烧杯中，在室温下搅拌30min，在80℃干燥12h；然后在氮气气氛下以3℃/min的升温速率升温到800℃，在最高温度恒温2h；然后在氮气氛围下自然降温至室温；蒸馏水中煮沸洗涤至中性，于100℃干燥2h即得到镍氮/碳高性能乙醇氧化催化剂。由此制备的催化剂形貌相对于实例1，电流密度有所下降，颗粒尺寸增大，不利于发生氧化反应，并且氮官能团减少，没有更多的活性位点。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制，在本发明技术方案中所采用的各组分的质量比范围内，还可以作出若干修改和改进，这些修改和改进也应视为本发明的保护范围。