本發(fā)明屬于利用一種氮參雜碳納米片包覆co納米粒子的三維多孔納米結(jié)構(gòu)的電極催化材料的制備，以及在葡萄糖燃料電池中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

最近幾十年中，隨著全球環(huán)境問題日益突出以及能源危機(jī)的加劇，尋找高效率、低成本、清潔的能源轉(zhuǎn)換體統(tǒng)成為了人們的迫切需要。由于燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高，反應(yīng)溫度低、產(chǎn)物低污染等優(yōu)點(diǎn)，因而燃料電池極有可能成為解決環(huán)境、能源問題的一種途徑。^[2]而氧還原是燃料電池技術(shù)的核心關(guān)鍵，燃料電池陰極氧還原動(dòng)力學(xué)緩慢，這就限制了燃料電池技術(shù)的提高。^[3]鉑以及鉑合金是目前性能最好的氧還原催化劑，但鉑金屬價(jià)格昂貴，且稀缺，加上鉑催化劑穩(wěn)定性差，抗甲醇性能差等缺點(diǎn)使得燃料電池的應(yīng)用進(jìn)一步受到了限制，這就需要研究出價(jià)格低廉的高活性非貴金屬或非金屬催化劑來代替鉑基催化劑。

多孔碳材料具有較高的比表面積、較好的導(dǎo)電性、高的化學(xué)穩(wěn)定性，且雜原子（例如：n，b，p，s等）摻雜納米結(jié)構(gòu)碳材料，具有突出的氧還原催化活性，尤其是氮摻雜納米結(jié)構(gòu)碳材料是其中催化活性最好的。近年來碳材料被廣泛研究。最近，多孔碳基負(fù)載復(fù)合納米結(jié)構(gòu)過度金屬（例如：co，fe，ni等）這類材料，由于協(xié)同效應(yīng)使得整體性能大弧度提高，所以這類材料極有可能代替pt基催化劑，成為最佳商用氧還原催化劑。

為了進(jìn)一步提高orr催化材料的性能，我們發(fā)明了一種氮參雜碳納米片包覆co納米粒子的三維多孔納米結(jié)構(gòu)的電極催化材料。大量的co納米粒子較均一地修飾在碳納米片表面，co納米粒子負(fù)載在高導(dǎo)電性的石墨化碳納米片上，提高了整體材料的導(dǎo)電性和質(zhì)荷傳導(dǎo)率。這種co，n雙參雜的協(xié)同效應(yīng)，很大程度上提高了材料的催化活性和穩(wěn)定性。且這種co，n雙摻雜三維多孔碳材料，具有較大的比表面積，提高了大量的活性位點(diǎn)，這有利于改善電催化氧還原反應(yīng)和葡萄糖氧化反應(yīng)的催化活性，并有著優(yōu)異的電催化氧還原和葡萄糖氧化性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種電極催化材料的制備方法及其在燃料電池中的應(yīng)用，所述電極催化材料為多孔氮參雜碳納米片包覆co納米粒子的三維多孔納米結(jié)構(gòu)的電極催化材料，利用單氰胺作為碳和氮源。其制備方法和在燃料電池中的應(yīng)用包括以下三個(gè)步驟：

1）前驅(qū)體材料的制備；將2.37g的co(no3)2.6h2o和1.15g的ch2n2碾磨10min,使其充分混合均勻，再將碾磨后所得的粘稠液倒入燒杯中加熱至120°c反應(yīng)5小時(shí)。將所得的蓬松固體碾磨成粉末樣品待用；

2）co/n-mc-750材料的制備；將上述所得的前驅(qū)體粉末固體至于管式爐中，惰性氣體氛圍下高溫碳化。將蓬松的黑色固體碾磨成粉末，制備成粉末樣。

3）葡萄糖燃料電池的應(yīng)用：co/n-mc-750催化材料制備成漿液(水,naion(5%),乙醇的體積比為420：50：30)，將制成的漿液按照2mg/cm²涂在用鈦絲串好的碳布上，分別放入葡萄糖燃料電池的陰陽極，外串聯(lián)一個(gè)外加負(fù)載，用數(shù)據(jù)采集儀采集外加負(fù)載上的電壓。(圖5)

步驟(1)中采用的是固態(tài)的cn2h2，co(no3)2.6h2o與cn2h2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為99.9%、95%。

步驟(1)中co(no3)2.6h2o與cn2h2兩者的質(zhì)量比為5：4。

步驟(2)中惰性氣體為ar氣或者n2。

步驟(2)中碳化溫度為750℃，碳化時(shí)間為5h。

步驟(2)中cn2h2即作為碳源，又作為氮源。

步驟(2)中cn2h2在低溫下聚合的聚合物分解出的氣體充當(dāng)模板，從而形成三維結(jié)構(gòu)的多孔碳納米片。

步驟(3)中漿液的濃度為10mg/ml。

步驟(3)中外加負(fù)荷電阻為150ω。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：將單氰胺在反應(yīng)中分解產(chǎn)生的氣體作為氣體模板構(gòu)建出三維多孔碳結(jié)構(gòu)，這種三維結(jié)構(gòu)促進(jìn)了質(zhì)子和電子的傳導(dǎo)效率，石墨化的碳增強(qiáng)了其導(dǎo)電性。這種碳納米材料對(duì)orr和gor都具有非常突出的催化性能，且將這種材料分別作為葡萄糖燃料電池的陰陽極催化電極，能使葡萄糖燃料電池陰極和陽極自發(fā)進(jìn)行反應(yīng)，帶動(dòng)外加負(fù)荷對(duì)外輸電能。該材料的制備方法制備工藝簡(jiǎn)易，該電極的制備工藝具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明co/n-mc-750材料的xrd圖。

圖2是本發(fā)明co/n-mc-750材料掃描電鏡圖。

圖3是本發(fā)明co/n-mc-750材料與20%pt/c氧還原性能對(duì)比圖。

圖4是本發(fā)明co/n-mc-750材料對(duì)葡萄糖電流響應(yīng)效果圖。

圖5是本發(fā)明co/n-mc-750材料組裝成葡萄糖燃料電池的實(shí)物圖

圖6是本發(fā)明co/n-mc-750材料組裝成葡萄糖燃料的循環(huán)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但需要說明的是實(shí)施例并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明要求保護(hù)范圍的限定。

實(shí)施案例

1.前驅(qū)體材料的合成：將2.37g的co(no3)2.6h2o和1.15g的ch2n2碾磨10min,使其充分混合均勻，再將碾磨后所得的粘稠液倒入燒杯中加熱至120°c反應(yīng)5小時(shí)。將所得的蓬松固體碾磨成粉末樣品待用。

2．co/n-mc-750材料的合成：將上述所得的前驅(qū)體粉末固體至于管式爐中，于ar氣體氛圍下，750°c高溫下碳化5h。將蓬松的黑色固體碾磨成粉末，制備成co/n-mc-750粉末樣。

3.將5mg制得的co/n-mc-750粉末材料溶于乙醇和nafion的混合水溶液(乙醇、nafion溶液和去離子水的體積比為1：1：8)制成漿液涂到玻碳電極或旋轉(zhuǎn)圓盤上，在0.1mkoh的溶液中進(jìn)行電化學(xué)氧還原和葡萄氧化測(cè)試，測(cè)試的氧還原結(jié)果與商用20%的pt/c作比較，結(jié)果如圖3所示。

4.上訴所制得的漿液取100ul涂在碳布上，自然晾干后制成葡萄糖燃料電池的電極材料，組裝成燃料電池，如圖5。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公布了一種電極催化材料的制備方法，即一種氮參雜碳納米片包覆Co納米粒子的三維多孔納米結(jié)構(gòu)的碳材料。將單氰胺(CN2H2)和六水合硝酸鈷(Co(NO3)2.6H2O)混合均勻后進(jìn)行固?固反應(yīng)，制得一種膨松的前驅(qū)體，再將前驅(qū)體進(jìn)行高溫碳化，得到最終的電極催化材料。單氰胺既是碳源，也是氮源。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：將單氰胺在反應(yīng)中分解產(chǎn)生的氣體作為氣體模板構(gòu)建出三維多孔碳結(jié)構(gòu)，這種三維結(jié)構(gòu)促進(jìn)了質(zhì)子和電子的傳導(dǎo)效率，石墨化的碳增強(qiáng)了其導(dǎo)電性。該制備方法制備工藝簡(jiǎn)易，該電極的制備工藝具有潛在應(yīng)用價(jià)值。將這種氮參雜碳納米片包覆Co納米粒子的三維多孔納米結(jié)構(gòu)的碳材料分別制備成葡萄糖燃料電池陰極和陽極的催化電極，來催化陰陽極電極反應(yīng)，從而使其自發(fā)進(jìn)行，帶動(dòng)外加負(fù)荷對(duì)外輸出電能。

技術(shù)研發(fā)人員：次素琴;劉良貞;溫珍海
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南昌航空大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.09
技術(shù)公布日：2017.09.08