铁钴共掺杂碳氮核壳微球材料的制备及其在电催化方面的应用的制作方法

文档序号：16373010发布日期：2018-12-22 08:52阅读：184来源：国知局

本发明属于燃料电池电催化领域，具体涉及铁钴共掺杂碳氮核壳微球材料的制备。

背景技术

燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种新型发电技术，其中应用及研究领域最为广泛的是氢氧燃料电池。氧化反应和还原反应分别在氢氧燃料电池的阳极和阴极发生，为了加速阳极的氢氧化和阴极的氧还原，分别在阳极和阴极搭载了含铂的催化剂，由于铂的价格较贵，故该种催化剂的大规模商业生产不够现实，在这种情况下，开发低铂或无铂催化剂就具有了很重要的发展意义。

核壳结构由于同时具备了内核与外壳两种材料的性质，使其可以优势互补，因此在电催化、光催化、气体存储和分离等方面有着广阔的应用前景。

聚苯胺作为高分子化合物具有优良的导电性以及电化学性能，经过一定的方法处理之后，可以作为各种催化剂以及传感器的原材料，聚苯胺的合成也较为简单。由于聚苯胺中同时具有苯环和氮元素，而c、n的掺杂又是无铂催化剂中重要的组成部分，因此考虑使用聚苯胺作为铁钴共掺杂碳氮微球材料的基材。

zifs为沸石咪唑酯骨架结构材料，在这种特殊的结构当中，咪唑连接到过渡金属上，形成咪唑酯包含过渡金属的结构，这种笼状结构具有较大的比表面积，在高温下碳化之后，就会形成碳氮掺杂材料包覆过渡金属的结构，恰好符合电催化剂的最优结构。

技术实现要素：

本发明是针对目前氢氧燃料电池催化剂存在的问题提出的一种解决方案，在本发明中利用溶剂热反应制备了fe3o4微球，在其上生长pani，再与原位生长方法相结合制备出fe3o4/pani/zif-67复合微球，经过一定的碳化工艺处理，制备了铁钴共掺杂碳氮核壳微球材料催化剂。

本发明采用的技术方案如下：

(1)采用溶剂热法制备fe3o4微球，温度设定在200℃，反应持续10h，产物经去离子水和乙醇洗涤，然后在真空干燥箱中干燥。得到粒径约为200nm的fe3o4微球。

(2)将上述微球置于硫酸溶液中超声1h，将苯胺单体加入上述溶液，剧烈搅拌1h,加入一定量的硝酸钴溶液，转入冰水浴锅搅拌预冷，然后在上述溶液中逐滴加入aps，并在冰水浴中反应12h。得到pani@fe3o4；

(3)将pani@fe3o4微粒均匀分散在甲醇溶液中，加入一定量的2-甲基咪唑，充分反应之后，得到的产物使用甲醇和去离子水洗涤之后在真空干燥箱中进行干燥，得到产物zif-67@pani@fe3o4。

(4)将zif-67@pani@fe3o4在管式炉氮气气氛中经过碳化工艺热处理以及酸洗洗去fe3o4得到钴铁共掺杂核壳碳氮微球材料。

优选的是，水热反应的温度设定在200℃，时间设定在10h，时间过长则合成的fe3o4粒径过大，时间过短则合成的fe3o4粒径太小，均对pani的包覆不利，而且也不能形成良好的介孔结构。

优选的是，硫酸ph为1，硫酸的作用主要是刻蚀fe3o4微球表面，若ph太小，可能会把fe3o4全部溶解掉，因此而不能形成核壳结构，若硫酸ph太大，则不能对fe3o4表面形成刻蚀作用，导致fe3o4表面太过光滑而pani无法正常生长上去。

优选的是，微球的碳化工艺为：升温速率为5℃/min，碳化温度为700℃-900℃，碳化时间为1-2h。

钴铁共掺杂碳氮核壳微球可作为氧还原催化剂来使用，在测试其电化学性能时，需以该钴铁共掺杂核壳碳氮微球材料修饰的玻碳电极作为工作电极，甘汞电极和铂电极分别作为参比电极和对电极，构成三电极体系进行测试。电解液则采用0.1m的koh溶液。。

本发明的铁钴共掺杂碳氮核壳微球用于燃料电池阴极氧还原反应电催化剂，与之前的文献报道相比，具有如下优点：

(1)本发明制备方法条件可控，制备成本低。

(2)本发明成功地实现了将导电聚合物pani和zif-67结合的目的，同时在除去fe3o4核之后，pani形成的中空碳微球内核还会有fe离子的存在，进一步加强了催化效率。

(3)高温碳化及酸洗之后得到的碳氮微球材料具有多层多级孔状结构，具有高的比表面积和大的孔体积，该结构有利于物质扩散和电子传输，用于氧还原反应具有较高的电催化效率。

附图说明

图1为本发明所述核壳微球示意图；

图2为本实验制备的pani/fe3o4微球的透射电镜图；

图3为本实验制备的zif-67/pani/fe3o4微球表面的扫描电镜图；

图4为本实验实施例1制备的铁钴共掺杂碳氮核壳微球用作氧还原反应电催化剂的线性扫描伏安曲线图。

具体实施方式

实施例1

配制1.35g的fecl3·6h2o溶解于乙二醇中，超声使其充分溶解，加入3.6gnaac，继续超声使溶液呈现乳黄色，放入水热反应釜，温度设定在200℃，反应时间设定在10h进行溶剂热反应，产物经去离子水和乙醇洗涤，放入真空干燥箱中进行干燥，得到fe3o4。

将上述微球加入ph为1的硫酸溶液中均匀分散，0.5ml苯胺单体溶解在5ml乙醇中，加入上述溶液，硝酸钴0.5g溶解在10ml去离子水中加入上述溶液，在冰浴中搅拌1h预冷，之后将1.226gaps溶解在10ml水中，在30min内逐滴加入到上述反应溶液中，然后在冰浴中反应12h，产物经去离子水和乙醇洗涤，再使用磁铁进行提纯，然后放入真空干燥箱中进行干燥，得到pani/fe3o4.