[发明专利]微波水热法制备硫、氮、铁共掺杂碳材料燃料电池阴极电催化剂的方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂的制备技术领域，具体涉及一种微波水热法制备硫、氮、铁共掺杂碳材料燃料电池阴极电催化剂的方法。

背景技术

燃料电池技术是一种先进的能源技术，它具有能量转换效率高、环境友好及能量密度高等优点。但是燃料电池阴极的氧还原反应慢，阴极氧还原反应是影响燃料电池电催化反应速度的重要因素。因此，氧还原催化剂是燃料电池电催化研究的热点之一。

目前，燃料电池的氧还原反应的催化剂基本上采用Pt基材料，因为在目前已知的金属材料中，金属铂对氧还原反应的电催化活性最高。为提高反应速率和转换效率，往往需要大量的铂来催化加速阴极的氧还原反应。由于采用铂的成本太高，严重制约了燃料电池的发展。研究开发出价格低廉、氧还原催化活性高的非贵金属催化剂来替代主流的铂基催化剂是燃料电池发展的必由之路。

影响非贵金属催化剂活性的因素很多，如催化剂表面的微观形貌和状态、反应物和产物在催化材料中的传质特性等。其中催化剂的微观形貌和状态与制备方法密切相关，采用不同的制备方法，催化剂的形貌状态有很大的不同，从而对催化剂活性产生很大影响。由于特殊的形态、独特的化学组成，具有蛋黄蛋壳结构的纳米材料在各个领域显示出巨大的应用潜力，其丰富的孔隙也可以促进质量传递和电子转移，进而提高催化剂的活性。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种微波水热法制备硫、氮、铁共掺杂碳材料燃料电池阴极电催化剂的方法，该方法制得的硫、氮、铁共掺杂碳材料具有良好的燃料电池阴极氧还原电催化活性，结合了微波独特的加热特性和水热法的优点，具有操作简单、重复性好和反应效率高的优点，适合工业化生产和应用。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，微波水热法制备硫、氮、铁共掺杂碳材料燃料电池阴极电催化剂的方法，其特征在于具体步骤为：将2-氨基-1,3,5-三嗪-4,6-二硫醇和质量浓度为37%的甲醛溶液与去离子水经超声分散混合均匀配成溶液，再加入氯化铁并搅拌混合均匀得到悬浊液，将得到的悬浊液移入微波水热反应釜中，在140℃、400W的微波条件下在微波水热反应仪中反应30min，将得到的产物用去离子水洗涤直至滤液变为无色，放至真空干燥箱中于80℃干燥至恒重，然后在N₂气氛下于800℃煅烧3h得到硫、氮、铁共掺杂碳材料燃料电池阴极电催化剂。

进一步优选，所述2-氨基-1,3,5-三嗪-4,6-二硫醇、质量浓度为37%的甲醛溶液与氯化铁的投料质量比为1:6:10。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明首次成功合成了具有蛋黄蛋壳结构的硫、氮、铁共掺杂碳材料，该中空结构可以为电极反应提供三相（固-液-气）区，为电解液的传输提供通道，进而提高催化剂的比表面积，增加电催化剂的催化活性；

2、本发明结合了微波独特的加热特性和水热法的优点，操作简单、反应速度快、合成时间短、反应条件温和且反应效率高；

3、本发明制得的新型燃料电池催化剂与仅有氮掺杂的纳米碳催化剂相比，该类催化剂具有更高的活性，硫原子的掺杂为催化材料表面创造了更多带正电荷的位点，增强了对氧分子吸附，活化了碳共轭体系中丰富的π电子，硫、氮、铁一起发挥了对碳材料的良好协同效应。

附图说明

图1是实施例1制得燃料电池阴极电催化剂的TEM图；

图2是实施例1及对比例1和对比例2中催化剂的阴极氧还原反应极化曲线。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

将0.01g 2-氨基-1,3,5-三嗪-4,6-二硫醇和0.06g质量浓度为37%的甲醛溶液与40mL去离子水经超声分散混合均匀配成溶液，再加入0.1g氯化铁并搅拌混合均匀得到悬浊液；将得到的悬浊液移入100mL的微波水热反应釜中，在140℃、400W的微波条件下在微波水热反应仪中反应 30min；将得到的产物用去离子水洗涤直至滤液变为无色，放至真空干燥箱中于80℃干燥至恒重，然后在N₂气氛下于800℃煅烧3h得到硫、氮、铁共掺杂碳材料燃料电池阴极电催化剂。

由图1可以看出本实施例制得的硫、氮、铁共掺杂碳材料为蛋黄蛋壳结构，这种特殊的材料组成及形貌结构为电解液的传输提供通道，进而提高催化剂的比表面积，有效增加电催化剂的催化活性。