一种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维，由预处理后的蚕丝纤维经活化处理，然后高温碳化，冷却后而得。本发明以生物质蚕丝纤维为碳源制备的氧还原催化材料，具有高比表面积和孔隙率，有利于电解液的扩散和气体脱附，多孔结构的特性使得该材料具有较高的催化活性、耐酸性、耐碱性和稳定性，同时无需负载到电极上，可直接用做工作电极进行氧还原催化。
【专利说明】
一种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维
技术领域
[0001]本发明涉及一种燃料电池氧还原催化材料，特别涉及一种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维。
【背景技术】
[0002]能源危机及环境污染日益严重，清洁、可再生能源的开发和利用愈显重要和紧迫。燃料电池是直接以化学反应方式将燃料的化学能转换为电能的能量转换装置，是一种绿色的能源技术，对解决目前全球所面临的能源危机和环境污染问题具有重要意义。然而，燃料电池阴极氧还原反应可逆性很低，交换电流密度较小，过电位较高。因此，利用阴极氧还原反应催化剂来降低阴极过电位，提高电池工作性能对燃料电池的商品化开发都具有极其重要的意义。
[0003]目前，铂基催化剂仍是燃料电池阴极氧还原反应最常用的催化剂，其大规模商业化应用的主要瓶颈在于铂催化剂资源稀缺、价格昂贵。因此，发展高效率、高稳定性、低成本的燃料电池催化剂成为人们孜孜以求的目标，因此，寻找一种高活性、高稳定性、低成本的氧还原反应催化剂来替代铂基催化剂是该领域的研究热点。其中，以生物质为原料的碳基材料用于催化氧还原反应在近年来受到了广泛关注，取得了一定的进展。
[0004]生物质基碳材料是利用生物质为原料制备的各种碳材料，生物质碳化后所得碳材料中氮元素含量较多，一部分氮元素会掺杂到碳骨架上。以生物质为原料制备出来的氮掺杂碳材料一般具有发达的孔隙结构、高的比表面积、丰富的表面官能团、超强的吸附能力以及极高的化学稳定性。此外，根据氮的连接位置不同，碳材料表面氮一般具有三种化学形态:连接在掺氮碳面边缘的2个碳上的氮原子被称为吡啶氮，带有2个P电子并与键体系共轭的氮原子被称为吡咯氮，与三个碳原子相连的氮则被称为石墨氮。迄今，以生物质为原料制备的碳基氧还原电催化材料有了一定的发展，但还存在较多问题，其一，生物质的选择、碳化方法、以及所得材料的电催化性能的评价方法;其二，生物质碳氮材料在酸性和碱性中的稳定性和可循性问题;其三，探索掺杂原子的数量、比例以及材料的电子结构等因素可能影响材料氧还原电催化活性。大部分碳材料通常仅适用于碱性条件催化氧还原反应，在酸性介质中性能大打折扣，这严重影响了燃料电池的大规模应用。因此，如何设计和制备具有高催化活性和良好的稳定性的氧还原电催化生物质碳氮材料是当前亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维，以生物质蚕丝纤维为碳源制备的氧还原催化材料，具有高比表面积和孔隙率，有利于电解液的扩散和气体脱附，多孔结构的特性使得该材料具有较高的催化活性、耐酸性、耐碱性和稳定性，同时无需负载到电极上，可直接用做工作电极进行氧还原催化。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]—种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维，由预处理后的蚕丝纤维经活化处理，然后高温碳化，冷却后而得。
[0008]本发明首先将蚕丝纤维在去离子水中浸泡并清洗数次，再将干燥好的蚕丝纤维浸泡在活化液里面。将活化后的蚕丝纤维放入管式炉中进行碳化，在碳化过程中形成氮掺杂类石墨烯纤维材料。
[0009]作为优选，蚕丝纤维的预处理工艺为:蚕丝纤维的预处理工艺为:将蚕丝纤维置于去离子水中浸泡3-6小时并清洗干净，真空干燥。预处理以清洗表面杂质，避免产品电催化活性受到影响。
[0010]作为优选，所述活化处理为:将蚕丝纤维在活化液中浸泡3-24小时，去离子水清洗干净，真空干燥。活化作用是使石墨化温度下降，从而节能，同时活化还有产生多孔结构的作用。
[0011]作为优选，所述活化液选自饱和氯化钾溶液、饱和氢氧化钾溶液、饱和氯化锌溶液、饱和乙酸猛溶液、饱和硝酸钴溶液中的一种或两种。饱和溶液均在25 0C下溶解度饱和为标准。
[0012]作为优选，所述高温碳化为在保护气体保护下，600-1200°C下碳化5-12小时。加热至600-1200 0C 的升温速率为 10C -20 °C /min。
[00?3]作为优选，按体积百分比计，所述保护气体由惰性气体90-99 %和还原气体1-10 %混合而成。保护气体中必须包含部分还原性气体，以提高结晶度，最终提高导电性。
[0014]作为优选，所述惰性气体为氩气或氮气，所述还原气体为氨气或氢气。
[0015]作为优选，所述蚕丝纤维产自桑蚕、柞蚕、木薯蚕、樟蚕、柳蚕、天蚕中的一种。
[0016]—种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维作为燃料电池的阴极氧还原催化剂的用途。可以同时在酸性和碱性条件下作为燃料电池用氧还原催化剂。
[0017]本发明的有益效果是:
[0018](I)在氮被引入碳骨架后，相邻碳原子附近位点出现缺陷，电荷分布不均匀，碳材料的电中性受到破坏，更有利于成为氧分子吸附和还原的活性中心，具有较高的催化性能。
[0019](2)所制备的氮掺杂类石墨烯纤维材料具有高比表面积和孔隙率，有利于电解液的扩散和气体脱附。
[0020](3)该氮掺杂类石墨烯纤维材料中吡啶型氮和石墨氮含量较高，对氧还原反应催化活性大。
[0021](4)氮掺杂类石墨烯纤维材料在酸性碱性环境中都有很高的氧还原电化学活性，赋予杂化材料良好的稳定性和耐久性。
[0022](4)无需负载到电极上，可直接用做电极进行氧还原电催化。
【附图说明】
[0023]图1(a)蚕丝生物质衍生的氮掺杂碳纤维(CF)场发射扫描电镜形貌图；(b)蚕丝生物质衍生的类石墨烯氮掺杂碳纤维(GF)场发射形貌图；图1a和Ib中的插图分别为CF和GF扫描电镜低倍图；(c)CF透射电镜图；(d)GF多孔表面透射电镜图；图1(:和Id插图为低倍的透射电镜图；(e)CF高分辨透射电镜图；(f)GF多孔表面高分辨透射电镜图；(g)GF多孔表面扫描透射电镜图；(h-k)GF多孔表面元素映射图，分别为C、N、0三种元素。图中,wrinkles(褶皱)，graphene(石墨稀)，nanopore(纳米孔)。
[0024]图2本发明氮掺杂类石墨烯纤维的电催化活性。(a)CF、GF、商业Pt/C(20wt%)催化剂在O2饱和的0.5M H2SO4中的极化曲线，圆盘电极转速为800rpm; (b)GF在O2饱和的0.5MH2SO4中不同扫速下的极化曲线.(c)CF、GF、商业Pt/C(20wt % )催化剂的Taf eI曲线；(d)分别在0.3￥，0.35￥，0.4￥，0.45￥和0.5￥计算的1(-1^关系图；图2(1中的插图为6?和0?的计算的电子转移数目。
【具体实施方式】
[0025]下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
[0026]本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
[0027]本发明氮掺杂类石墨烯纤维表面分散着不同尺寸的类石墨烯碳片，呈现多级孔结构，其大孔大小为100-200nm，纳米级小孔大小为10-20nm，类石墨稀碳氮纤维比表面积为100-500m2/g;氮掺杂类石墨烯纤维的细度为1-2μπι。本发明氮掺杂类石墨烯纤维的氮掺杂量为1-20%。
[0028]实施例1:
[0029]—种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维其制备方法包括如下步骤:
[0030](I)预处理:将蚕丝纤维(桑蚕)置于去离子水中，浸泡3小时并且反复冲洗3次后放入真空烘箱干燥，烘箱温度设定在60°C下干燥6小时。
[0031](2)活化:将步骤(I)干燥好的蚕丝纤维浸泡在饱和氯化钾溶液中，浸泡时间为3小时，结束后用去离子水冲洗3次放入真空烘箱干燥，烘箱温度设定在60 °C下干燥6小时。
[0032](3)碳化:将步骤(2)干燥好蚕丝纤维放入到一刚玉舟中，然后将刚玉舟置于管式炉中间部位。将蚕丝纤维开通保护气体使管式炉达到真空状态后开始升温;所述保护气体由惰性气体(氩气)90%和还原气体(氨气)10%混合而成。以TC/min的升温速度，升温至600°C，在该温度下高温碳化12小时，最后在保护气体保护下冷却至室温，即得氮掺杂类石墨烯纤维。
[0033]实施例2:
[0034]—种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维其制备方法包括如下步骤:
[0035](I)预处理:将蚕丝纤维(柞蚕)置于去离子水中，浸泡6小时并且反复冲洗3次后放入真空烘箱干燥，烘箱温度设定在60°C下干燥6小时。
[0036](2)活化:将步骤(I)干燥好的蚕丝纤维浸泡在饱和氯化锌溶液中，浸泡时间为24小时，结束后用去离子水冲洗3次放入真空烘箱干燥，烘箱温度设定在60 °C下干燥6小时。
[0037](3)碳化:将步骤(2)干燥好蚕丝纤维放入到一刚玉舟中，然后将刚玉舟置于管式炉中间部位。将蚕丝纤维开通保护气体使管式炉达到真空状态后开始升温;所述保护气体由惰性气体(氮气)99%和还原气体(氢气)I %混合而成。以20°C/min的升温速度，升温至1200 °C，在该温度下高温碳化5小时，最后在保护气体保护下冷却至室温，即得氮掺杂类石墨烯纤维。
[0038]实施例3:
[0039]—种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维其制备方法包括如下步骤:
[0040](I)预处理:将蚕丝纤维(木薯蚕)置于去离子水中，浸泡5小时并且反复冲洗3次后放入真空烘箱干燥，烘箱温度设定在60°C下干燥6小时。
[0041 ] (2)活化:将步骤(I)干燥好的蚕丝纤维浸泡在饱和硝酸钴溶液中，浸泡时间为1小时，结束后用去离子水冲洗3次放入真空烘箱干燥，烘箱温度设定在60 °C下干燥6小时。
[0042](3)碳化:将步骤(2)干燥好蚕丝纤维放入到一刚玉舟中，然后将刚玉舟置于管式炉中间部位。将蚕丝纤维开通保护气体使管式炉达到真空状态后开始升温;所述保护气体由惰性气体(氩气)95%和还原气体(氨气)5%混合而成。以10°C/min的升温速度，升温至900 °C，在该温度下高温碳化8小时，最后在保护气体保护下冷却至室温，即得氮掺杂类石墨烯纤维。
[0043]具体制备案例:
[0044]取300g蚕丝纤维经去离子水浸泡3h并反复冲洗5次后真空干燥，然后将其浸泡在饱和氯化钾溶液中12小时，浸泡结束后经去离子水反复冲洗5次后真空干燥。接着将活化后干燥的蚕丝纤维到刚玉舟中，刚玉舟置于管式炉中间加热部位，开通氩气30分钟后，氩气流速为150sccm，管式炉以2 °C /分钟开始升温，此时开始通氨气，氨气流速为5sccm，管式炉升温至900°C，保温8小时。最后在保护气体保护下冷却至室温，得到氮掺杂类石墨烯纤维，微观形貌见图1，图1表明氮掺杂类石墨烯纤维表面分散着不同尺寸的类石墨烯碳片，呈现多级孔结构，其大孔大小为100-200nm，纳米级小孔大小为10-20nm，氮掺杂类石墨稀碳氮纤维比表面积为100-500m2/g;氮掺杂类石墨烯纤维的细度为1-2M1。
[0045]将其直接作为电极，在0.5M硫酸溶液中测试其氧还原电催化活性，所得到的数据如图2所示，图2的数据说明氮掺杂类石墨烯纤维的初始电位为0.78V，非常接近商业Pt/C的
0.85V。
[0046]以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
【主权项】
1.一种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维，其特征在于:由预处理后的蚕丝纤维经活化处理，然后高温碳化，冷却后而得。2.根据权利要求1所述的一种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维，其特征在于，蚕丝纤维的预处理工艺为:将蚕丝纤维置于去离子水中浸泡3-6小时并清洗干净，真空干燥。3.根据权利要求1或2所述的一种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维，其特征在于，所述活化处理为:将蚕丝纤维在活化液中浸泡3-24小时，去离子水清洗干净，真空干燥。4.根据权利要求3所述的一种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维，其特征在于:所述活化液选自饱和氯化钾溶液、饱和氢氧化钾溶液、饱和氯化锌溶液、饱和乙酸猛溶液、饱和硝酸钴溶液中的一种或两种。5.根据权利要求1或2所述的一种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维，其特征在于，所述高温碳化为在保护气体保护下，600-1200°C下碳化5-12小时。6.根据权利要求5所述的一种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维，其特征在于:按体积百分比计，所述保护气体由惰性气体90-99 %和还原气体1-1O %混合而成。7.根据权利要求6所述的一种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维，其特征在于:所述惰性气体为氩气或氮气，所述还原气体为氨气或氢气。8.根据权利要求1或2所述的一种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维，其特征在于:所述蚕丝纤维产自桑蚕、柞蚕、木薯蚕、樟蚕、柳蚕、天蚕中的一种。9.如权利要求1所述的一种蚕丝衍生的氮掺杂类石墨烯纤维作为燃料电池的阴极氧还原催化剂的用途。
【文档编号】H01M4/96GK105845954SQ201610206433
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】朱罕, 杜明亮, 张明, 姚菊明
【申请人】浙江理工大学