一种燃料电池用非贵金属催化剂及其制备方法和燃料电池技术

本发明专利技术适用于电化学能源领域，提供了一种燃料电池用非贵金属催化剂及其制备方法和燃料电池。所述燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法包括以下步骤：制备氧掺杂g‑C

Non noble metal catalyst for fuel cell, preparation method thereof and fuel cell

The invention is applicable to the field of electrochemical energy, and provides a non noble metal catalyst for a fuel cell, a preparation method thereof and a fuel cell. The preparation method of the fuel cell with non noble metal catalyst comprises the following steps: preparing oxygen doped g C

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池用非贵金属催化剂及其制备方法和燃料电池
本专利技术属于电化学能源领域，尤其涉及一种燃料电池用非贵金属催化剂及其制备方法和燃料电池。
技术介绍
随着化石燃料的枯竭和环境污染日趋严重，作为未来可持续发展和分布式的产电装置，燃料电池以其效率高、低二氧化碳排放、模块化和稳定性好等优势吸引力研究者们的广泛关注。目前，铂和铂合金以其高的催化活性被广泛用作燃料电池催化剂。但是由于铂价格昂贵，储量有限，抗甲醇毒化能力低等缺点限制了燃料电池的大规模商业化。因此，发展高效价廉的催化剂成为燃料电池产业化的关键突破口。石墨化碳氮化合物，通常简写成g-C3N4，是一种结构类似于石墨烯的二维结构材料，由三嗪C3N4或者三重三嗪C6N7通过叔胺相互连接。单层的g-C3N4具有高的比表面积(2500cm2/g)，高的氮含量(60.9wt％)以及易与过渡金属形成络合物等特性，是合成非贵金属催化剂的理想的氮源。尽管g-C3N4在光催化领域受到广泛研究和关注，然而其在电催化领域并没有引起太多的关注，而未发挥其应有的潜力。研究表明，纯的g-C3N4在酸性介质中的具有氧还原活性，且其基础活性比纯碳要高。由于g-C3N4具有较差的电子传输特性，使得g-C3N4的催化反应局限在很窄的三相界面区，导致纯的g-C3N4表现出较差的氧还原反应活性。目前对g-C3N4改进方法主要局限于形貌结构的优化以及与高比表面积的碳支撑体进行复合，但是由于g-C3N4本征结构并未发生改变，导致其催化活性依然不高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种燃料电池用非贵金属催化剂及其制备方法和燃料电池，旨在通过改变g-C3N4的结构，进而提高其催化活性和氧吸附能力。本专利技术是这样实现的，一种燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：制备氧掺杂g-C3N4；利用氧掺杂g-C3N4与过渡金属盐制备纺丝液，对所述纺丝液进行静电纺丝处理，获得前驱体样品；对所述前驱体样品进行高温处理，获得非贵金属催化剂。进一步地，所述制备氧掺杂g-C3N4包括：制备三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液，将两种溶液中的其中一种的pH值调节为2～13；将两种溶液混合，获得沉淀，将所述沉淀过滤，得到前驱体化合物；将所述前驱体化合物进行热聚合反应，得到氧掺杂g-C3N4。进一步地，所述三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液中的三聚氰酸与三聚氰胺的质量比为1～10:1～10；进一步地，所述三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液的溶质质量分数均为1％～15％。进一步地，所述将所述前驱体化合物进行热聚合反应包括：将所述前驱体化合物置于保护气体中进行加热，所述加热过程包括：升温至350～450℃，保温0.5～5h，升温速率为1～10℃/min；再升温至500～650℃，保温0.5～5h，升温速率为1～10℃/min。进一步地，所述利用氧掺杂g-C3N4与过渡金属盐制备纺丝液包括：将氧掺杂g-C3N4置于DMF中，超声分散5～30min；加入过渡金属盐，密封搅拌；加入PAN的DMF溶液，制成纺丝溶液。进一步地，所述静电纺丝处理的纺丝电压为5-30kV，进料速度为0.8-2mL/h，纺丝距离为6-18cm。进一步地，所述高温处理包括：升温至700～1000℃，保温0.5～5h，升温速率为1～10℃/min。本专利技术还提供了一种燃料电池用非贵金属催化剂，采用上述所述的制备方法制成。本专利技术还提供了一种燃料电池，包括上述所述的燃料电池用非贵金属催化剂。本专利技术与现有技术相比，有益效果在于：本专利技术实施例提供的燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法，首先合成氧掺杂g-C3N4，利用氧掺杂改变g-C3N4的电子结构，从而使得g-C3N4的电子电导率提升、带隙降低、价带顶上移以及氧气吸附能力提升，从而使得氧掺杂的g-C3N4具有更高效的氧还原能力。然后进一步通过静电纺丝技术制备高比表面积、高导电性及高催化活性的纳米纤维化的非贵金属催化剂。本专利技术实施例提供的燃料电池用非贵金属催化剂，氧气吸附能力强，具有高比表面积、高导电性及高催化活性。附图说明图1为本专利技术实施例1中制备的g-C3N4催化剂的扫描电子显微镜(SEM)图；图2为本专利技术实施例2中制备的g-C3N4催化剂SEM图及X射线能谱(EDS)图；图3为本专利技术实施例3中Fe-N/C复合催化剂的SEM图；图4为本专利技术实施例4中得到的g-C3N4催化剂的X射线衍射(XRD)图；图5为本专利技术实施例4中Fe-N/C复合催化剂的XRD图；图6为本专利技术实施例5中g-C3N4催化剂在不同转速下极化曲线；图7为本专利技术实施例3中得到的复合催化剂在不同转速下极化曲线；图8为本专利技术实施例3中得到的电极所制备的直接甲醇燃料电池的极化曲线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术第一实施例提供了一种燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：制备氧掺杂g-C3N4；利用氧掺杂g-C3N4与过渡金属盐制备纺丝液，对所述纺丝液进行静电纺丝处理，获得前驱体样品；对所述前驱体样品进行高温处理，获得非贵金属催化剂。本专利技术实施例提供的燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法，首先合成氧掺杂g-C3N4，利用氧掺杂改变g-C3N4的电子结构，从而使得g-C3N4的电子电导率提升、带隙降低、价带顶上移以及氧气吸附能力提升，从而使得氧掺杂的g-C3N4具有更高效的氧还原能力。然后进一步通过静电纺丝技术制备高比表面积、高导电性及高催化活性的纳米纤维化的非贵金属催化剂。具体地，所述制备氧掺杂g-C3N4包括：制备三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液，将两种溶液中的其中一种的pH值调节为2～13；将两种溶液混合，获得沉淀，将所述沉淀过滤，洗涤并干燥，得到前驱体化合物；将所述前驱体化合物进行热聚合反应，得到氧掺杂g-C3N4。本专利技术实施例提供的燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法中，首先利用三聚氰胺与三聚氰酸之间通过氢键形成超分子化合物，制得前驱体化合物，然后进一步通过热聚合合成氧掺杂g-C3N4。具体地，所述三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液的溶剂可以是去离子水，也可以是乙醇等有机溶剂，所述溶液通过将三聚氰酸和三聚氰胺分别溶解在水或乙醇中，加热至40～60℃(乙醇)或者60～95℃(去离子水)获得。所述三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液中的三聚氰酸与三聚氰胺的质量比为1～10:1～10；所述三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液的溶质质量分数均为1％～15％。具体地，所述洗涤并干燥包括：将过滤得到的沉淀洗涤至中性，置于温度在50℃～80℃的干燥环境中干燥12h后得到粉末状的前驱体化合物。具体地，所述将所述前驱体化合物进行热聚合反应包括：将所述前驱体化合物置于保护气体中进行加热，所述加热过程包括：升温至350～450℃，保温0.5～5h，升温速率为1～10℃/min；再升温至500～650℃，保温0.5～5h，升温速率为1～10℃/min。这是由于本专利技术的加热对象是前驱体化合物这一超分子化合物，超分子是分子间通过非化学键的结合力自组装而形成的分子团，其也具有一定的结构。若升温过快，就会造成热聚合不充分，得到的氧掺杂g-C3N4中带隙较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备氧掺杂g‑C

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备氧掺杂g-C3N4；利用氧掺杂g-C3N4与过渡金属盐制备纺丝液，对所述纺丝液进行静电纺丝处理，获得前驱体样品；对所述前驱体样品进行高温处理，获得非贵金属催化剂。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备氧掺杂g-C3N4包括：制备三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液，将两种溶液中的其中一种的pH值调节为2～13；将两种溶液混合，获得沉淀，将所述沉淀过滤，得到前驱体化合物；将所述前驱体化合物进行热聚合反应，得到氧掺杂g-C3N4。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液中的三聚氰酸与三聚氰胺的质量比为1～10:1～10；4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液的溶质质量分数均为1％～15％。5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述将所述前驱体化合物进行热聚合反应包括：将所述前驱体化合物置于...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴其兴，梅日国，席晶晶，王芳，罗仲宽，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44