[发明专利]利用浓硫酸碳化合成氮碳非金属氧还原催化剂的方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种氮碳复合非金属氧还原催化剂的制备方法，尤其涉及一种利用浓硫酸碳化合成氮碳复合非金属氧还原催化剂的方法。

背景技术

燃料电池作为一种环境友好的能源利用技术，可以直接将化学能转换为电能，一直以来受到人们的广泛关注。然而，由于其主要使用含铂催化剂，致使成本较高，高成本问题严重制约了燃料电池技术的发展和商业化进程。因而发展非贵金属及非金属催化剂已成为燃料电池领域最为重要的研究课题。

研究发现，高含氮量碳材料在碱性环境下对氧化剂具有很好的氧还原催化活性，因此，研究开发高含氮量碳的非贵金属材料作为氧还原催化剂是实现燃料电池工业化的必然途径。目前，制备氮碳复合非金属催化剂的方法，主要是以含N₄ 结构大环配体、NH₃、CH₃CN等为氮源，以炭黑载体、聚丙烯腈等为碳源，经高温炭化而得。然而，将氮源、碳源单纯的进行高温石墨化热处理，会使大量的氮活性位点流失，很难使得活性氮发挥极致作用，进而影响了氮碳复合的氧还原催化活性。因此，使得氮碳有效结合对于发展非金属氧还原催化剂具有十分重要的意义。                        

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种利用浓硫酸碳化合成氮碳复合非金属氧还原催化剂的方法。

本发明利用浓硫酸碳化合成氮碳复合非金属氧还原催化剂的方法，是先将含碳、氢、氧三种元素的有机化合物与三聚氰胺混合均匀后，先加入浓硫酸进行初步碳化，再将碳化产物在氮气保护下进行高温深度碳化而得。

所述含碳、氢、氧三种元素的有机化合物为蔗糖、肌醇等。

所述含碳、氢、氧三种元素的有机化合物与三聚氰胺以2:1~5:1的质量比混合。

所述浓硫酸的质量浓度为70~98%，其用量为：每克含碳、氢、氧三种元素的有机化合物中加入浓硫酸10~15mL/g。

所述浓硫酸初步碳化的工艺条件为：在高压反应釜中，于120~200℃碳化反应6~10 h。

所述高温深度碳化的条件为：在600~1000 ℃下碳化处理2~6 h。

下面对本发明制备的氮碳复合非金属氧还原催化剂进行物理表征和性能测试。

1、扫描电镜分析

图1为利用本发明制备的氮碳非金属氧还原催化剂的扫描电镜图，图2为利用传统高温热处理碳化法制备的催化剂的扫描电镜图。从图1、2中可以看出，利用本发明制备的氮碳非金属氧还原催化剂呈现网状结构，有效的将氮源固定，形成碳氮有效结合的新型材料；而利用传统高温热处理方法所制得的催化剂呈大小不均一的砖块形状，氮源分布不均匀且容易流失。

2、拉曼光谱分析

图3为利用本发明制备的氮碳非金属氧还原催化剂与利用传统热处理碳化法制备的催化剂以及商业XC-72碳粉的拉曼光谱对比图。从图3中看出，利用本发明制备的催化剂和传统热处理碳化法制备的催化剂均出现碳材料所特有的D峰和G峰。但相比于利用传统方法制备的催化剂，本发明制备的催化剂峰型较强，且I_D/I_G的值为1.09，小于传统方法制备的催化剂（1.14），也更接近商业XC-72碳粉（1.03）。这表明利用本发明制备的催化剂石墨化程度更高，碳化更完全。

3、催化氧还原性能分析

图4为利用本发明制备的氮碳非金属氧还原催化剂与利用传统热处理碳化法制备的催化剂以及商业XC-72碳粉的催化氧还原反应的极化曲线图。从图4直观看出，在利用本发明制备的复合碳材料的电极上，氧还原反应的起始电位和半波电位分别比用传统热处理方法制备的催化剂正移了52 mV和31 mV；比商业XC-72碳粉正移123 mV和79 mV，说明用该方法制备的材料比用传统方法制备的催化剂材料表现出更好的氧还原性能。

综上所述，本发明以含有碳、氢、氧的有机化合物为碳源，三聚氰胺为氮源，先利用浓硫酸的脱水性，将含有碳、氢、氧的有机化合物中的氢、氧进行初步碳化，使得三聚氰胺进入初步碳化产物的孔道，有效地固定了氮源；再在氮气保护下进行高温深度碳化得到氮与碳有效结合的复合材料，使得具有促进氧还原催化作用的活性氮发挥良好作用，避免了以往单纯用高温热处理方法所产生的氮流失问题，从而有效提高了氮碳复合材料的氧还原催化活性。

附图说明

图1为利用本发明制备的氮碳非金属氧还原催化剂的扫描电镜图；

图2为利用传统热处理碳化法制备的催化剂的扫描电镜图；