氧还原催化剂的制备方法

1.本发明涉及氧还原催化剂技术领域，特别涉及一种氧还原催化剂的制备方法。


背景技术：

2.燃料电池的阴极上氧的还原需要较高的活化能，为了提高阴极的氧还原活性，会在阴极添加氧还原催化剂。目前，氧还原催化剂的制备过程中通常会进行高温热解，如此，使得制备过程耗时长、操作困难且能耗高。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的是提出一种氧还原催化剂的制备方法，旨在解决现有技术中制备过程耗时长、操作困难且能耗高的问题。
4.为实现上述目的，本发明提出一种氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：
5.将炭黑与金属离子-溶剂溶液混合，在30～40℃的温度条件下反应后得到掺杂炭黑溶液；
6.将所述掺杂炭黑溶液离心取沉淀，洗涤，得到氧还原催化剂。
7.可选地，所述温度条件为35℃。
8.可选地，所述金属离子-溶剂溶液中，所述溶剂为甲醇或乙醇。
9.可选地，所述金属离子-溶剂溶液中，所述溶剂为乙醇。
10.可选地，所述将炭黑与金属离子-溶剂溶液混合，在30～40℃的温度条件下反应后得到掺杂炭黑溶液的步骤中，所述反应在超声条件下进行。
11.可选地，所述炭黑和所述金属离子的质量之比为1：(0.01～1)。
12.可选地，所述将炭黑与金属离子-溶剂溶液混合，在30～40℃的温度条件下反应后得到掺杂炭黑溶液的步骤中，所述反应的时间为1～5h。
13.可选地，所述将炭黑与金属离子-溶剂溶液混合，在30～40℃的温度条件下反应后得到掺杂炭黑溶液的步骤中，所述反应在90～110kpa的气压条件下进行。
14.可选地，所述金属离子-溶剂溶液是通过将金属盐与溶剂混合得到，所述金属盐为乙酸银、乙酸铁、乙酸钴、乙酸铜、乙酸镍、硝酸锌、硝酸铅、硝酸钴、硝酸铁、硝酸镍、硝酸锰、氯化铁、氯化铜、氯铂酸钾、硫酸铁、硫酸铜、硫酸铅、硝酸钴、硝酸铁、硝酸铜和硝酸锰中的至少一种。
15.可选地，所述金属盐为乙酸银、乙酸铁、乙酸钴、乙酸铜、硝酸钴、硝酸铁、氯化铁、氯化铜、氯铂酸钾、硫酸铜、硝酸钴、硝酸铁、硝酸铜和硝酸锰中的至少一种。
16.本发明的技术方案中，首先由炭黑与金属离子反应得到掺杂有金属离子的炭黑，然后经离心和洗涤，即得氧还原催化剂，得到的氧还原催化剂比表面积大、具有三维网络结构、生物相容性好；此外，炭黑与金属离子的反应在30～40℃的常温条件下进行，相比于以往所采用的高温条件，本发明制备方法的耗时短、操作简单且能耗低；并且，本发明制备方法能够适用于多种不同的贵金属离子和非贵金属离子，具有一定的普适性。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅为本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
18.图1为本发明实施例1制得的氧还原催化剂的扫描电子显微镜照片(sem)；
19.图2为本发明实施例2制得的氧还原催化剂的扫描电子显微镜照片(sem)；
20.图3为本发明实施例3制得的氧还原催化剂的扫描电子显微镜照片(sem)。
21.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
23.需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。此外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.燃料电池的阴极上氧的还原需要较高的活化能，为了提高阴极的氧还原活性，会在阴极添加氧还原催化剂。目前，氧还原催化剂的制备过程中通常会进行高温热解，如此，使得制备过程耗时长、操作困难且能耗高。
25.鉴于此，本发明提出一种氧还原催化剂的制备方法，所述氧还原催化剂的制备方法包括以下步骤：
26.步骤s10、将炭黑与金属离子-溶剂溶液混合，在30～40℃的温度条件下反应后得到掺杂炭黑溶液。
27.炭黑，是由烃类物质不完全燃烧而制得的，具有高度分散性的黑色粉末状物质。其主要成分是碳，炭黑粒子近乎球状，且比表面积大。在30～40℃的温度条件下，炭黑与金属离子会反应得到掺杂有金属离子的炭黑，于是，通过步骤s10得到的是含有掺杂有金属离子的炭黑的溶液，即掺杂炭黑溶液。
28.进一步地，对于温度条件而言，其在30～40℃范围内，可以是30℃、35℃或40℃等，在本发明的实施例中，优选所述温度条件为35℃。
29.在本发明实施例中，所述金属离子-溶剂溶液中，所述溶剂为甲醇或乙醇。优选地，所述溶剂为乙醇。
30.进一步地，步骤s10中，所述反应在超声条件下进行。如此，炭黑与金属离子-溶剂溶液混合更加均匀，也即炭黑与金属离子混合更加均匀，得到的掺杂有金属离子的炭黑掺
杂效果更好，品质更高。
31.其中，所述炭黑和所述金属离子的质量之比为1：(0.01～1)。比如，炭黑和金属离子的质量之比为1：0.01，炭黑和金属离子的质量之比为1：0.1，炭黑和金属离子的质量之比为1：1，等等，本发明对此不做限制。优选地，炭黑和金属离子的质量之比为1：0.1。
32.步骤s10中，所述反应的时间为1～5h。比如，1h、3h或5h等。在本发明实施例中，优选反应时间为3h。
33.步骤s10中，所述反应在90～110kpa的气压条件下进行。如90kpa、100kpa或110kpa等。在本发明实施例中，优选反应时间为100kpa，100kpa为常压条件，相比以往需要高压的制备方法，本发明制备方法反应条件温和、成本更低、操作也较稳定。
34.进一步，所述金属离子-溶剂溶液是通过将金属盐与溶剂混合得到，所述金属盐为乙酸银、乙酸铁、乙酸钴、乙酸铜、乙酸镍、硝酸锌、硝酸铅、硝酸钴、硝酸铁、硝酸镍、硝酸锰、氯化铁、氯化铜、氯铂酸钾、硫酸铁、硫酸铜、硫酸铅、硝酸钴、硝酸铁、硝酸铜和硝酸锰中的至少一种。通过溶于乙醇或甲醇等溶剂的金属盐来提供金属离子，进而实现金属离子在炭黑上的掺杂。在本发明实施例中，优选地，所述金属盐为乙酸银、乙酸铁、乙酸钴、乙酸铜、硝酸钴、硝酸铁、氯化铁、氯化铜、氯铂酸钾、硫酸铜、硝酸钴、硝酸铁、硝酸铜和硝酸锰中的至少一种。
35.步骤s20、将所述掺杂炭黑溶液离心取沉淀，洗涤，得到氧还原催化剂。
36.通过离心和洗涤处理，去除游离的金属离子，得到较纯净的掺杂有金属离子的炭黑，即氧还原催化剂。
37.需要说明的是，步骤s20洗涤时优选使用去离子水洗涤，去离子水是去除了水中的钠、镁、钙、锌和铁等离子的纯水，如此，有助于防止其他杂质离子的带入。
38.本发明的技术方案中，首先由炭黑与金属离子反应得到掺杂有金属离子的炭黑，然后经离心和洗涤，即得氧还原催化剂，得到的氧还原催化剂比表面积大、具有三维网络结构、生物相容性好；此外，炭黑与金属离子的反应在30～40℃的常温条件下进行，相比于以往所采用的高温条件，本发明制备方法的耗时短、操作简单且能耗低；并且，本发明制备方法能够适用于多种不同的贵金属离子和非贵金属离子，具有一定的普适性。
39.以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
40.实施例1
41.(1)将炭黑与氯铂酸钾-乙醇溶液混合，在35℃的温度条件、100kpa的气压条件和超声条件下反应3h后得到掺杂炭黑溶液，其中，炭黑和铂离子的质量之比为1：0.1。
42.(2)将所述掺杂炭黑溶液离心取沉淀，用去离子水洗涤3次，得到氧还原催化剂。
43.对实施例1制得的氧还原催化剂进行电子显微镜扫描，得到扫描电子显微镜照片(sem)如图1所示。由图可知，该氧还原催化剂具有三维网络结构，说明比表面积较大，催化活性较好。
44.实施例2
45.(1)将炭黑与硝酸铁-乙醇溶液混合，在30℃的温度条件、101kpa的气压条件和超声条件下反应3.5h后得到掺杂炭黑溶液，其中，炭黑和铁离子的质量之比为1：0.01。
46.(2)将所述掺杂炭黑溶液离心取沉淀，用去离子水洗涤3次，得到氧还原催化剂。
47.对实施例2制得的氧还原催化剂进行电子显微镜扫描，得到扫描电子显微镜照片(sem)如图2所示。由图可知，该氧还原催化剂具有三维网络结构，说明比表面积较大，催化活性较好。
48.实施例3
49.(1)将炭黑与硝酸钴-乙醇溶液混合，在40℃的温度条件、99kpa的气压条件和超声条件下反应2.5h后得到掺杂炭黑溶液，其中，炭黑和钴离子的质量之比为1：1。
50.(2)将所述掺杂炭黑溶液离心取沉淀，用去离子水洗涤3次，得到氧还原催化剂。
51.对实施例3制得的氧还原催化剂进行电子显微镜扫描，得到扫描电子显微镜照片(sem)如图3所示。由图可知，该氧还原催化剂具有三维网络结构，说明比表面积较大，催化活性较好。
52.实施例4
53.(1)将炭黑与乙酸银-乙醇溶液混合，在34℃的温度条件、110kpa的气压条件和超声条件下反应1h后得到掺杂炭黑溶液，其中，炭黑和银离子的质量之比为1：0.05。
54.(2)将所述掺杂炭黑溶液离心取沉淀，用去离子水洗涤3次，得到氧还原催化剂。
55.对实施例4制得的氧还原催化剂进行电子显微镜扫描，由得到的sem图显示该氧还原催化剂具有三维网络结构。
56.实施例5
57.(1)将炭黑与氯铂酸钾-乙酸银-乙醇溶液混合，在36℃的温度条件、100kpa的气压条件和超声条件下反应3h后得到掺杂炭黑溶液，其中，炭黑和金属离子(铂离子和银离子)的质量之比为1：0.15。
58.(2)将所述掺杂炭黑溶液离心取沉淀，用去离子水洗涤3次，得到氧还原催化剂。
59.对实施例5制得的氧还原催化剂进行电子显微镜扫描，由得到的sem图显示该氧还原催化剂具有三维网络结构。
60.实施例6
61.(1)将炭黑与硝酸铁-硝酸钴-乙醇溶液混合，在35℃的温度条件、90kpa的气压条件和超声条件下反应5h后得到掺杂炭黑溶液，其中，炭黑和金属离子(铁离子和钴离子)的质量之比为1：0.1。
62.(2)将所述掺杂炭黑溶液离心取沉淀，用去离子水洗涤3次，得到氧还原催化剂。
63.对实施例6制得的氧还原催化剂进行电子显微镜扫描，由得到的sem图显示该氧还原催化剂具有三维网络结构。
64.实施例7
65.(1)将炭黑与氯铂酸钾-甲醇溶液混合，在35℃的温度条件、100kpa的气压条件和超声条件下反应3h后得到掺杂炭黑溶液，其中，炭黑和铂离子的质量之比为1：0.1。
66.(2)将所述掺杂炭黑溶液离心取沉淀，用去离子水洗涤3次，得到氧还原催化剂。
67.对实施例7制得的氧还原催化剂进行电子显微镜扫描，由得到的sem图显示该氧还原催化剂具有三维网络结构。
68.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。