[发明专利]纳米碳基燃料电池催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种催化剂的制备方法，特别是涉及一种纳米碳基燃料电池催化剂的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种按照电化学形式将燃料的化学能连续的直接转化成电能的装置，其具有能量转换率高、环境友好、室温快速启动、比功率比能量高等一系列优点，被认为是未来最有可能应用于电动汽车与其他民用领域的清洁、高效的化学能源。目前，燃料电池成本高居不下的主要原因是负极材料采用贵金属Pt。由于Pt价格昂贵，资源匮乏，并且在使用过程中催化活性随着时间延长而衰减，因此研究开发非Pt催化剂，提高催化剂的催化活性，降低成本成为燃料电池催化剂的研究热点。石墨烯和碳纳米管都是由SP²杂化的碳原子构成，具有独特的物理化学以及电子传输特性，被广泛用做为氧的还原反应催化剂，并且与石墨材料类似，其具有良好的化学稳定性，耐酸、耐碱、耐高温、耐氧化，是替代Pt作为燃料电池催化剂的理想材料。然而商品化的石墨烯与碳纳米管本身所具有的氧还原催化活性还不够高，因此需要进一步提高其催化活性，而通过将较大尺寸的石墨烯与碳纳米管裁剪成更多小尺寸的碎片，提高边缘碳原子的数量是提高其催化活性的一条有效途径。

文献1“Adv.Funct.Mater.2007，17(17)，3613-3618”以纳米NiO颗粒包覆与长的碳纳米管表面，在900°C氩气保护下使纳米NiO颗粒与碳纳米管反应，将长碳纳米管裁剪为～200nm长的短纳米管。但是该方法工艺复杂且需要在高温下制备，能耗较高，碳纳米管长度不易控制。

文献2“J.Am.Chem.Soc.2010，132(36)，12556-12558”以管径为50-80nm的碳纳米管为源材料，采用浓硫酸与KMnO₄溶液将碳纳米管沿轴向裁剪成石墨烯带。但是这种方法制备的石墨烯带有较多缺陷，所用的溶液对环境有污染，也不利于大规模生产。

文献3“J.Am.Chem.Soc.2010，132(29)，10034-10041”采用扫描探针显微技术在氧化石墨烯缺陷处制造出不同的边界，该方法适应于基础研究，但无法实现规模化生产，不适应于制备燃料电池用催化剂石墨烯。

文献4“J.Am.Chem.Soc.2011，133(14)，5182-5185”采用旋转圆盘电极测试了纳米管在不同旋转速率下的极化曲线，经计算得出纳米管对氧的还原催化为两步两电子催化过程。

文献5“ACS Nano 2011，5(8)，6202-6209”采用旋转圆盘电极测试了石墨烯在不同旋转速率下的极化曲线，经计算得出石墨烯对氧的还原催化为两步两电子催化过程。

发明内容

为了克服现有的方法在制备纳米碳基燃料电池催化剂时所用溶液对环境有污染的不足，本发明提供一种纳米碳基燃料电池催化剂的制备方法。该方法将碳纳米管或石墨烯放置于盛二甲基甲酰胺的容器中搅拌、分散，再进行机械研磨，研磨后的产物过滤后用乙醇和蒸馏水分别进行洗涤以去除二甲基甲酰胺，干燥后即得纳米碳基燃料电池催化剂。由于制备过程不需要添加强氧化性溶剂，可以消除对环境的污染；且不需要在高温下处理，节省能源。所制备的纳米碳基燃料电池催化剂对氧的还原反应催化由背景技术的两步两电子催化过程提高到一步四电子催化过程，性能优异。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种纳米碳基燃料电池催化剂的制备方法，其特点是包括以下步骤：

（a）将原材料置于盛有机溶剂二甲基甲酰胺的容器中进行搅拌10-20分钟，使其分散均匀；

（b）将步骤（a）分散均匀后混合物转移至研磨容器中，在湿态条件下机械研磨10-30分钟；

（c）将经步骤（b）研磨后的产物进行过滤处理；

（d）将过滤后的产物用乙醇溶液和蒸馏水分别进行5-10次洗涤，去除添加的有机溶剂二甲基甲酰胺；

（e）将洗涤后的产物置于真空干燥箱内，在120°C下干燥10-12小时，即得纳米碳基燃料电池催化剂。

所述的原材料为碳纳米管或石墨烯中的一种。

本发明的有益效果是：该方法将碳纳米管或石墨烯放置于盛二甲基甲酰胺的容器中搅拌、分散，再进行机械研磨，研磨后的产物过滤后用乙醇和蒸馏水分别进行洗涤以去除二甲基甲酰胺，干燥后即得纳米碳基燃料电池催化剂。由于制备过程未添加强氧化性溶剂，消除了对环境的污染；且不需要在高温下处理，节省能源。所制备的纳米碳基燃料电池催化剂对氧的还原反应催化由背景技术的两步两电子催化过程提高到一步四电子催化过程，性能优异。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明