[发明专利]掺杂纳米氧化锌的非贵金属催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种掺杂纳米氧化锌的非贵金属催化剂的制备方法，主要用于燃料电池的氧还原催化反应中。 

背景技术

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池具有发电效率高、环境污染少等优点，而成为一种比较理想的发电技术。然而制约燃料电池发展和应用的关键因素是用于阴极氧还原反应催化剂。目前，用作阴极氧还原催化剂的原料主要是贵金属铂。但是由于铂在地球上含量的稀缺以及昂贵的价格，使得其成为燃料电池大规模商业化生产的最大障碍。因此，最近几十年，人们都在致力于探索开发新的氧还原催化剂，能够具有良好活性和稳定性，去替代商业铂碳催化剂。研究中发现，杂原子掺杂的非贵金属催化剂和非金属催化剂，具有很好的氧还原活性，抗甲醇中毒能力和稳定性。而氮原子掺杂，成为了人们研究最为广泛的一种。吴刚课题组使用氮原子掺杂制备了性能可以与铂碳比肩的氧还原催化剂。这种含有孤对电子的氮元素掺杂为氧还原催化剂的研究提供了非常重要的方向。但是，这个方向仍然有许多问题有待解决，首要的问题，就是如何通过增大催化剂的比表面积来增强其催化活性，这也成为了人们今后研究氧还原催化剂的一个重要挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种掺杂纳米氧化锌的非贵金属催化剂的制备。

本发明掺杂纳米氧化锌的非贵金属催化剂的制备，是将蔗糖、赖氨酸和纳米氧化锌充分混合后，在氮气保护，800～1000℃的条件下一次碳化处理1～3 h，然后放置到含有氯化铁的HCl溶液中浸泡1～2 h；洗涤，干燥后在氧化锆球磨罐里球磨4～6 h；所得粉末在氮气保护，800～1000℃的条件下二次碳化处理1～3 h，得非贵金属催化剂。

所述蔗糖、赖氨酸、纳米氧化锌的摩尔比为1:0.5:0.5～1:1:2。

所述HCl溶液的浓度为1～3 mol/L，HCl溶液中氯化铁的含量为蔗糖质量的5%～10%。

下面对本发明制备的掺杂纳米氧化锌的非贵金属催化剂的结构和氧还原性能进行分析说明。

1、拉曼图分析

图1为本发明制备的非贵金属阴极催化剂的拉曼对比图。由图1可以看出，本发明制备的非贵金属催化剂分别在1300 cm^-1和1600 cm^-1出现了碳材料的特征峰D峰和G峰，说明该材料是以石墨化状态存在的。并且与商业XC-72碳粉相比，峰位没有发生偏移，表明掺杂纳米氧化锌后碳材料在结构上没有发生变化，仍然保持之前碳材料的石墨型结构。但是由于该催化剂的I_D/I_G值比商业碳粉较大，所以其碳层表面缺陷增多，具有更好的氧还原活性，这可能是因为有氮原子掺杂的原因。

2、氮气吸脱附分析

图2为本发明制备的非金属催化剂的氮气吸脱附图。从图2可以直观地看出，本发明制备的非金属催化剂的比面积在703～705 m²/g（商业XC-72碳粉比表面积只有237 m²/g），相对商业XC-72碳粉具有更大的比表面积。因为电化学本身就是一个表面反应，具有较大比表面积就说明催化剂表面可能会拥有更多的活性位点，这就大大提高了催化剂的氧还原活性。

3、氧还原性能测试

图3为本发明制备的非金属阴极催化剂与商业XC-72碳粉，商业Pt/C在碱性条件下的氧还原线性扫描伏安曲线图。从图3中可直观看出，与商业XC-72碳粉相比，本发明制备的非金属阴极催化剂电极上，氧还原起始电位和半波电位比商业碳粉XC-72相比分别正移了234 mV和55 mV，说明该材料在碱性条件下比传统商业XC-72碳粉表现出更好的氧还原性能。与商业Pt/C催化剂相比，其氧还原极化曲线起始点位与商业Pt/C催化剂相同，半波电位只差75 mV。

综上所述，本发明制备的氧还原非金贵属催化剂的氧还原催化活性与商业催化剂Pt/C相当接近，而其成本仅仅是商业催化剂Pt/C的3%，因此，作为燃料电池的电极催化剂，具有成本低，性能高等特点，对于燃料电池的推广应用具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明制备的非金贵属催化剂的拉曼对比图。

图2为本发明制备的非金贵属催化剂的氮气吸脱附图。

图3为本发明制备的非金贵属催化剂与商业XC-72碳粉，商业Pt/C在碱性条件下的氧还原线性扫描伏安曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明掺杂纳米氧化锌的非贵金属阴极催化剂的制备及其性能作进一步说明。