一种多孔碳材料快速石墨化的方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种多孔碳材料快速石墨化的方法及其应用。本发明专利技术通过将石墨化催化剂溶液和多孔碳材料混合，超声后干燥处理；将所得干燥后的混合材料进行超快速焦耳加热；将超快速焦耳加热后的混合材料进行酸洗，得到石墨化的碳材料。本发明专利技术的制备过程操作简单，方便，且反应快速，相比于管式炉的高温煅烧，可明显缩短升温降温时间，有利于能源的节约和生产效率的提高，且避免了长时间煅烧引起的碳材料的孔道坍塌，保留碳材料的高比表面积，同时由于催化剂的催化石墨化作用，可以有效的降低石墨化所需要的温度，可以在低温得到高度石墨化的碳材料，得到的高比表面积石墨化碳在燃料电池高电位测试中具有优异的耐腐蚀性能。电位测试中具有优异的耐腐蚀性能。电位测试中具有优异的耐腐蚀性能。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔碳材料快速石墨化的方法及其应用


[0001]本专利技术涉及新能源材料
，具体涉及一种多孔碳材料快速石墨化的方法及其应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)能量转换的效率高，零污染排放(产物为水)，这些优异的特点使得其成为21世纪尤为重要的新能源技术之一。由于大多数燃料电池所使用的催化剂为铂及铂基合金催化剂，为了使其能够充分被利用，常用碳材料作为载体，用于催化剂的分散。然而，由于碳载体在燃料电池实际工作中启停和长时间运行时，会产生严重的碳腐蚀，使负载在碳载体上的铂及铂基合金颗粒发生团聚，电化学活性面积降低，造成燃料电池的性能下降，且其所负载的催化剂性能越好，碳腐蚀越严重。使用石墨化的碳载体可以有效的缓解燃料电池在启停过程中所造成的碳腐蚀现象。然而我们通常制备的碳多数为硬碳，需要提升其石墨化程度。高温煅烧是最常用的石墨化的方法，然而往往需要高达2300℃的温度才能高度石墨化，而且需要升温降温的过程，耗时比较久，如中国专利202111243337.1。长时间的煅烧使原有的碳材料孔道减少，这将不利于催化剂的分散，因此，我们提出了一种高效快速提高碳载体石墨化缓解其碳腐蚀的方法，该方法操作简单，且反应快速，能够极大的缩短制备时间，防止多孔碳材料的骨架过多的分解形貌坍塌，且有效地保留了其高的比表面积，低温即可实现石墨化，该方法制备的碳材料将其应用在燃料电池催化剂载体上，可以有效的分散催化剂且有效的缓解碳腐蚀。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了快速高效地提高多孔碳载体的石墨化程度，提高其抗碳腐蚀的性能。同时提高多孔碳载体的石墨化程度的同时保留其多孔结构，使其可以利用碳载体的多孔结构在高温还原时限域催化剂，防止其团聚，有利于催化剂的分散。
[0004]为了克服现有的技术需要高于2000℃以上高温且升温降温所需要的时间较长，多孔结构容易坍塌的不足和缺点，本专利技术的目的在于提供一种多孔碳材料快速石墨化的方法及其应用(缓解燃料电池碳腐蚀)。
[0005]本专利技术的目的通过以下的技术方案实现。
[0006]一种多孔碳材料快速石墨化的方法，包括以下步骤：
[0007](1)将石墨催化剂溶液和多孔碳材料混合，超声(石墨催化剂充分吸附在碳材料内)后干燥处理；
[0008](2)将步骤(1)所得干燥处理后的混合材料进行超快速焦耳加热；
[0009](3)将步骤(2)超快速焦耳加热后的混合材料进行酸洗(刻蚀反应产生的金属颗粒)，得到石墨化的多孔碳材料。
[0010]优选的，步骤(1)中，所述石墨化催化剂溶液的溶剂为水或有机溶剂；进一步优选的，所述有机溶剂为乙醇或异丙醇。
[0011]优选的，步骤(1)所述石墨化催化剂为金属盐或硼酸；进一步优选的，所述金属盐为氯化钴，氯化锰，氯化铁，氯化镍，氯化铜，氯化锌，硝酸铁，硝酸钴，硝酸镍，硝酸锰，硝酸铜，醋酸铁，醋酸镍，乙酰丙酮钴和乙酰丙酮铁中的至少一种；
[0012]优选的，步骤(1)所述石墨化催化剂溶液的浓度为0.3
‑
5g/ml。
[0013]优选的，步骤(1)所述的石墨化催化剂与多孔碳材料的质量比为(0.5
‑
10)∶1。
[0014]优选的，步骤(1)所述超声的时间为0.5
‑
24h，超声的功率为50
‑
200w。所述干燥处理为冷冻干燥或鼓风干燥或红外灯烘干。冷冻干燥所需要冷井的温度为零下60℃
‑
零下40℃，冷冻时间为2
‑
6h，抽真空的时间为8
‑
24h。鼓风干燥所需要的温度为40
‑
80℃，所需时间为12
‑
24h。红外灯的功率为50
‑
100w，烘干所需时间为12
‑
24h。
[0015]优选的，步骤(1)所述的多孔碳材料为多孔碳中的至少一种。
[0016]进一步优选的，步骤(1)所述多孔碳材料可为商业的炭黑如XC
‑
72、BP2000、科琴黑等，也可为中空碳球、碗状碳、多孔硬碳、生物质衍生碳、MOF衍生碳中多孔碳的至少一种；
[0017]优选的，步骤(1)所述多孔碳材料为块状或粉末状；所述多孔碳材料为粉末状，含有石墨催化剂和多孔碳材料的混合液干燥处理后加入到支撑载体装置中进行超快速焦耳加热。其中支撑载体装置材质可为碳纸、碳布、石墨纸等。
[0018]优选的，步骤(2)中，所述超快速焦耳加热的电压为10
‑
40V，电流为10A
‑
60A，加热的时间为20s
‑
10min；所述超快速焦耳加热在惰性气体气氛中进行。
[0019]进一步优选的，步骤(2)中，所述超快速焦耳加热的电压为20
‑
40V，电流为20A
‑
50A，加热的时间为20s
‑
100s；所述惰性气体为氩气。
[0020]优选的，步骤(3)中，所述酸洗的酸为稀硫酸、稀硝酸、稀盐酸和稀醋酸中的至少一种，浓度为0.3
‑
4mol/L；所述酸洗的时间为6
‑
24h，酸洗的温度可为30℃
‑
80℃之间。
[0021]上述的方法得到的石墨化的碳材料在制备燃料电池催化剂中的应用。
[0022]优选的，包括以下步骤：将所述石墨化的碳材料浸渍氯铂酸和非贵金属盐溶液(其中氯铂酸的浓度为0.193mol/L)，通过冷冻干燥和高温氢氩混合气退火还原，得到燃料电池碳载铂基催化剂。高温退火的温度为500
‑
900℃，时间为2
‑
12h；所述氢氩混合气中氢气的体积分数为5
‑
20％。
[0023]进一步优选的，所述的非贵金属盐为硝酸钴，氯化钴，硫酸钴，醋酸钴，乙酰丙酮钴，硝酸镍，硝酸铁，硝酸锌，氯化锌，氯化铁，氯化锰和氯化铬中的至少一种。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0025]本专利技术采用简单快速高效的焦耳加热方法制备得到高度石墨化的多孔碳载体，将石墨化催化剂和多孔碳等碳材料充分浸渍，干燥后通过超快速焦耳加热，再酸洗去除金属颗粒，得到高度石墨化的碳载体。此方法可以快速制备高度石墨化的碳载体，不需要长时间的高温煅烧，有效的缩短了反应时间，提高制备效率，且快速升温有利于碳材料孔结构的保留，使其可以利用碳载体的多孔结构在高温还原时限域催化剂，防止其团聚，有利于催化剂的分散。通过过渡金属的催化作用，低温即可实现石墨化，有利于节约能源。
附图说明
[0026]图1为实施例1的焦耳加热支撑载体装置示意图。
[0027]图2为实施例4
‑
6制备的不同石墨化程度的多孔硬碳和未石墨化的多孔硬碳的XRD
对比图。
[0028]图3为实施例4
‑
6制备的不同石墨化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔碳材料快速石墨化的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将石墨化催化剂溶液和多孔碳材料混合，超声后干燥处理；(2)将步骤(1)所得干燥处理后的混合材料进行超快速焦耳加热；(3)将步骤(2)超快速焦耳加热后的混合材料进行酸洗，得到石墨化的碳材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的多孔碳材料为多孔碳中的至少一种，所述石墨化催化剂溶液的溶剂为水或有机溶剂；所述的石墨化催化剂为金属盐或硼酸；所述石墨化催化剂溶液的浓度为0.3
‑
5g/ml。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述金属盐为氯化钴，氯化锰，氯化铁，氯化镍，氯化铜，氯化锌，硝酸铁，硝酸钴，硝酸镍，硝酸锰，硝酸铜，醋酸铁，醋酸镍，乙酰丙酮钴和乙酰丙酮铁中的至少一种；所述有机溶剂为乙醇或异丙醇。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的石墨化催化剂与多孔碳材料的质量比为(0.5
‑
10)∶1。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述超声的时间为0.5
‑
24h；所述干燥处理为冷冻干燥或鼓风干燥或红外灯烘干；步骤(1)所述多孔碳材料为块状或粉末状；...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔志明，卢明佳，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：