[发明专利]一种以三维多孔碳材料为原料的燃料电池氧还原催化剂及制备方法

说明书

本发明提供了一种以三维多孔碳材料为原料的燃料电池氧还原催化剂及制备方法，制备方法包括：首先，称取三聚氰胺置于三颈烧瓶中，再加入甲醛，磁力搅拌，充分混合之后，利用三乙醇胺调节pH至9.5，油浴30min，得到pre‑MF。接着将称取的超导电炭黑与水和适量pre‑MF混合于三颈烧瓶中，机械搅拌均匀后，利用1M稀盐酸调节pH至3，然后继续机械搅拌，接着逐滴加入甲苯，加完之后，在1000rpm条件下机械搅拌，再恢复400rpm条件下机械搅拌。紧接着加入少量过渡金属盐，于70℃油浴保持4h。然后用乙醇洗涤，除去甲苯，抽滤，真空干燥，得到PMF材料。最后将固体转移到瓷舟，置于管式炉中经500℃～1100℃煅烧，再将煅烧之后的产物经过研磨后过筛，即得到Fe/NRC富含氮量的碳材料。

技术领域

本发明涉及化工领域，尤其涉及一种以三维多孔碳材料为原料的燃料电池氧还原催化剂及制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池作为燃料电池的代表，能够有效地将化学能转化为电能，因具能量转换效率高，功率密度高，启动快，零排放等特点，被认为是应用前景较好的移动能源装置。但是，质子交换膜燃料电池尚未广泛应用，原因在于，其工作过程中，需使用大量的Pt基催化剂，才能完成氧还原反应。而Pt基氧还原反应催化剂的成本高、活性低和耐久性不足，限制了质子交换膜燃料电池的进一步发展和推广应用。因此，研究制备出活性和稳定性高的非贵金属氧气还原反应催化剂，对于质子交换膜燃料电池的商业化应用是至关重要的。

对于非贵金属催化剂的制备材料，人们的研究重点逐渐由昂贵的或有化学危害的高分子聚合物转向可再生生物质，主要体现在含氮前驱体的选择上。目前，大多数专利提供的方案合成周期长、工艺难以控制、对于催化活性的形成机理研究较为困难，不利于成本低、活性高和耐久性好，以及适合商业化应用的氧气还原反应催化剂的研发。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种以三维多孔碳材料为原料的燃料电池氧还原催化剂及制备方法。本发明采用皮克林乳液聚合法，在制备的过程中，操作简单，重复性强，大大缩短了实验周期，并且形成的碳材料含有丰富的介孔。旨在解决现有的氧气还原反应催化剂的成本高、活性低和耐久性不足的问题。

本发明的技术方案如下：

一种三维多孔碳材料为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，包括：

步骤A、取适量的甲醛和三聚氰胺混合，磁力搅拌，利用三乙醇胺调节pH至9.5，然后在60℃下进行油浴，得到三聚氰胺甲醛聚合物气凝胶预聚物pre-MF；

步骤B、将适量超导电炭黑、少量水，适量pre-MF混合，低速机械搅拌均匀后，利用1M稀盐酸HCl调节pH，继续在低速下机械搅拌，接着逐滴加入甲苯，加完之后，高速1000rpm条件下机械搅拌一定时间，再恢复低速条件下机械搅拌；

步骤C、紧接着加入少量过渡金属盐，其中pre-MF与过渡金属盐的质量比约为10:1，于70℃油浴保持4h；

步骤D、用乙醇除去甲苯，然后抽滤，真空干燥，得到PMF材料；

步骤E、在惰性气氛下，经过500℃～1100℃高温煅烧4h，升温速率为5℃/min，再将煅烧之后的产物研磨后过筛，得到Fe/NRC富含氮量的碳材料，即得到氧还原催化剂。

所述的以三维多孔碳材料为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，所述步骤A中油浴过程为油浴30min。

所述的以三维多孔碳材料为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，步骤A中所述的甲醛为1.75mL。

所述的以三维多孔碳材料为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，所述步骤B中，1000rpm条件下机械搅拌为1～2min。