[发明专利]一种铁掺杂的四氧化三钴纳米薄膜及其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种碱性燃料电池中的阴极催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控等学科，具有发电效率高，建设周期短，负荷响应快，环境污染少等优点。根据所使用的电解质类型、燃料来源等的不同，燃料电池可分为以下5种类型(见附表):碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)。碱性燃料电池是第一个燃料电池技术的发展，最初由美国航空航天局的太空计划用于生产电力和水的航天器上，其转换效率为燃料电池中最高的，最高可达70%。目前，碱性燃料电池研究的主要目的一方面集中在降低燃料电池成本功率和提高耐用性和功率密度以满足不断增长的能源需求，另一方面相应的改变材料的性质来克服这些挑战。由于Pt的价格昂贵, 降低催化中Pt的含量, 提高Pt的利用率，使用各种非贵金属代替传统的铂作为阴极催化剂，减少能源消耗，同时也加快反应。

在酸性介质中, 一些非铂材料没有活性或者活性很小, 但其在碱性电解质中却可以催化氧气还原反应。在碱性电解质中，金属M作为为活性中心的催化活性顺序从高至低依次为：Mn-Ni-Co-Fe，而一些简单的金属氧化物作为ORR催化剂的有：α-Fe₂O₃，MnO₂等。作为一种典型的非铂类p型半导体材料，四氧化三钴具有良好的催化作用，其纳米结构在传感器、磁学、电容器、催化剂等方面也有广泛的应用。四氧化三钴纳米材料的制备方法主要有化学沉淀法、模版法、溶剂热法、电沉积法、溶胶-凝胶法。其中电沉积法制备方法简便，所获纳米晶体性能独特，而且成本低、效率高。但是，仅仅用四氧化三钴作为阴极催化剂的催化效率不够理想。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了催化性能好且制备方法简单易行的铁掺杂的四氧化三钴纳米薄膜；

本发明的另一目的是提供上述铁掺杂的四氧化三钴纳米薄膜的制备方法；

本发明的另一目的是提供一种新型的上述铁掺杂的四氧化三钴纳米薄膜的的用途。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

    一种铁掺杂的四氧化三钴纳米薄膜，所述薄膜的基底为FTO导电玻璃，在FTO导电玻璃上覆有一层致密的铁掺杂的四氧化三钴纳米复合材料，该材料由上层的纳米花状结构和下层的三维多孔结构构成。

上述的铁掺杂的四氧化三钴纳米薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1）将Co(NO₃)₂·6H₂O、 FeCl₂·4H₂O和 KCl配置成100ml的稀溶液，配制后溶液超声10min，

其中，Co(NO₃)₂·6H₂O：FeCl₂·4H₂O：KCl的摩尔比为（1~10）：1：2；

2）将FTO导电玻璃依次经洗衣粉水、二次蒸馏水、乙醇、超纯水超声清洗后，在氮气环境下吹干，得到处理干净后的FTO导电玻璃；

3）运用三电极体系将步骤2）处理干净的FTO导电玻璃作为工作电极，在步骤1）所得的溶液中进行恒电位沉积，沉积电位为-1.0~-0.6V，沉积时间为400~800s；

4）沉积所得的纳米薄膜用超纯水冲洗两次，自然晾干后置于管式炉中350~500°C热退火3~4.5h，即得铁掺杂的四氧化三钴纳米薄膜。

优选的，所述Co(NO₃)₂·6H₂O：FeCl₂·4H₂O：：KCl的摩尔比为5：1：2。

优选的，所述步骤2）中的乙醇采用体积分数为95%-99.5%的乙醇。

优选的，所述步骤3）中，沉积电位为-0.8V，沉积时间为600s。

优选的，所述步骤4）中，将步3）沉积所得的纳米薄膜在400°C热退火4h。

上述铁掺杂的四氧化三钴纳米薄膜作为碱性燃料电池中的阴极催化剂的应用。

优选的，所述铁掺杂的四氧化三钴纳米薄膜用于氧气的电催化还原。