[发明专利]一种氮杂化碳纳米角-石墨纳米复合材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮杂化碳纳米角-石墨复合纳米材料与其制备方法和其作为催化剂载体的应用。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，是21世纪最有吸引力的发电方法之一。固体高分子膜燃料电池(PEMFC)和直接醇类燃料电池(DAFC)等低温燃料电池因具有能量密度高、环境友好、运行条件温和易于移动等优点，有望成为移动及便携式设备的理想动力电源。负载型铂基贵金属催化剂是此类燃料电池的核心成分，如何在提高催化活性的同时，增强催化剂的稳定性，减少Pt金属的用量以降低成本，是低温燃料电池实用化进程中需要解决的关键问题。

负载型铂基贵金属催化剂的性能与金属及合金纳米簇和碳载体的物理化学性质相关，而金属与载体间的相互作用可提高贵金属的分散度和利用率，有助于提高电催化性能，增强电催化剂的稳定性。许多氮杂化碳材料已被用作电催化剂载体，以提高催化活性和稳定性。

Thomas等采用氨气气氛下热处理Vulcan XC-72碳黑进行氮杂化，利用过氧化氢还原法（用硫酸调节pH=3）制备了氮杂化碳黑负载铂金属催化剂（Roy，S.C.;Christensen,P.A.;Hamnelt,A.;Thomas,K.M.;and Trapp,V.J.Electrochem.Soc.,1996，143,3073；Roy，S.C.;Harding,A.W.;RusseII,A.E.;and Thomas,K.M.;1997，144,2323），与同样方法制备的未氮杂化碳黑负载铂金属催化剂相比，其对氧还原反应和甲醇氧化反应的催化活性有显著提高，但其催化活性与现有商购Pt/C催化剂相比低了近一个数量级。孙学良等以乙烯和三聚氰胺为碳和氮源，采用化学气相沉积法合成氮杂化碳纳米管（CNT），然后利用乙二醇还原法制备了氮杂化碳纳米管负载铂金属催化剂（Chen,Y.;Wang,J.;Liu,H.;Li,R.;Sun,X.;Ye,S.;Knights,S.，Electrochemistry Communications2009,11,2071;Chen,Y.;Wang,J.;Liu,H.;Banis,M.N.;Li,R.;Sun,X.;Sham,T-K;Siyu Ye,and Knights,S.,J.Phys.Chem.C2011,115，3769），与同样方法制备的未杂化CNT负载铂金属催化剂相比，其对氧还原反应的催化活性和稳定性提高约30%。

目前已知碳负载铂金属催化剂从催化活性和稳定性上还远不能满足低温燃料电池大规模实用化的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮杂化碳纳米角-石墨复合材料与其制备方法和其作为催化剂载体的应用。

本发明提供的氮杂化碳纳米角-石墨纳米复合材料由氮杂化碳纳米角和石墨组成；

其中，氮元素占所述纳米复合材料的质量百分含量为1-3%；

所述氮杂化碳纳米角与石墨的质量比为1∶0.02－0.6。

所述石墨的表观形态为条/片状；

所述石墨条/片穿插于氮杂化碳纳米角聚集体中，形成导电性优良的多孔网络。

所述氮杂化碳纳米角-石墨复合材料的制备方法包括如下步骤：在直流电弧合成器的腔体中加入水和其它反应气体，以石墨棒为阴极和阳极，使用直流电弧法制备得到固体产物后，将所得固体产物在空气或由惰性气体和氧气组成的混合气体中进行加热处理，得到氮杂化碳纳米角-石墨纳米复合材料；

所述其它反应气体为氮气或含有氮气的混合气体；其中，所述含有氮气的混合气体为干燥空气或氮气与下述气体中的至少一种形成的混合气体：一氧化碳、氧气和二氧化碳；

所述水在反应体系中所占压力比为0.1-90%，具体为4-90%、12-90%、70-90%、4-70%、12-70%或4-12%；

所述直流电弧合成器的腔体中，反应气氛在室温下的压力为1×10⁴-9×10⁴Pa，具体为2×10⁴Pa-9×10⁴Pa、2×10⁴Pa-5×10⁴Pa或5×10⁴Pa-9×10⁴Pa；

所述直流电弧法中，放电电流为80-120A；

所述加热处理步骤中，时间为0.1-100小时，具体为0.1-10小时或0.1-4小时或0.1-1小时或4-10小时，温度为473-1073K；