[发明专利]掺氟纳米碳化钽/石墨化碳复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及能源材料领域，具体涉及掺氟纳米碳化钽/石墨化碳复合材料及其制备方法。

背景技术

燃料电池由于在能源使用效率以及对环境的改善上比传统热机具有巨大的优势，而受到研究者们越来越多的关注。直接液体燃料电池由于液体燃料相对于氢气来说储存和运输方便，而成为了其研究领域格外青睐的对象[Chem. Rev., 2009, 109, 4183]。催化剂作为燃料电池的关键部件，长期以来是由铂等贵金属或者含有贵金属的材料组成。众所周知，铂等贵金属由于资源稀少、使用领域多，所以价格昂贵。而且随着燃料电池在电动汽车上应用的成功和产业化实现，价格会持续上升，这严重制约了燃料电池的商业化推广 [J. Am. Chem. Soc., 1999, 121, 10928]。目前，在燃料电池阴极，已经发现有较多非贵金属或非金属催化剂具有很高的氧还原性能，甚至在酸性介质中，具有非常接近铂的性能 [Science, 2011, 332, 443]。但是，在燃料电池阳极，却几乎没有相关报道。因此，开拓能在酸性介质中具有阳极氧化性能的催化材料，成为巨大的挑战。

碳化物很早就被发现具有电催化氢氧化的能力[Science,1973, 181, 547; Nature,1969, 224, 1299;Nature, 1970, 227, 483]。事实上，基于协同效应，多种碳化物都被证明可以提升催化剂性能的作用 [J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 1954]。碳化钽曾经被报道在电化学氧还原中具有协同效应，可以提升铂的性能 [J. Fuel. Cell. Sci. Tech., 2011, 8, 031005]，但是，在阳极方面应用却没见相关报道。在各种碳化物中碳化钽得到的研究相对较少，这是因为合成碳化钽的条件相对比较严苛，要求具有较高的温度（>1400 ℃），在这样的条件下合成的碳化钽颗粒达微米级。另外，钽盐的存在形式相对较少，五氯化钽很容易发生水解，不适合做合成前驱体使用，所以没有发现报道合成纳米碳化钽的方法。

研究发现卤族掺杂的载体材料，尤其是氟掺杂载体材料，可以应用于燃料电池催化剂中，使导电性和催化能力提高。利用可溶于水的含卤素钽盐来制备纳米碳化钽，并负载在石墨材料上。因为石墨是一种晶型碳，具有良好的导电、导热性能及稳定的化学和电化学性能，是电化学催化剂等诸多催化剂的理想载体之一。

发明内容

本发明的目的在于合成一种在酸性中具有催化醇、酸的电化学氧化的催化材料，解决现有技术制备纳米碳化钽高度分散于石墨化碳复合材料存在的巨大困难。实际上纳米碳化钽仍不具备在酸性条件下直接催化氧化醇和酸的能力。基于掺氮碳纳米管、掺氮石墨烯材料具有氧还原催化作用，在纳米碳化钽中掺入氮，但是仍没有催化作用。本发明披露一种在纳米碳化钽中掺氟的材料，该材料对醇氧化和酸氧化具有很好的催化作用。掺氟纳米碳化钽/石墨化碳复合材料及其制备方法，具体技术方案如下。

掺氟纳米碳化钽/石墨化碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）预处理离子交换树脂，得到预处理后的离子交换树脂；

（2）将过渡金属盐溶于水中，得到过渡金属盐溶液，再加入步骤（1）得到的预处理后的离子交换树脂，搅拌均匀进行交换或螯合，得到交换或螯合后的树脂；

（3）用去离子水清洗步骤（2）得到的交换或螯合后的树脂，再烘干，得到清洗后的交换了过渡金属的离子交换树脂；

（4）将氟钽酸钾溶于沸水中，得到氟钽酸钾沸水溶液，并将（3）中得到的清洗后的交换了过渡金属的离子交换树脂加入其中，搅拌，得到吸附了钽后的树脂；

（5）用去离子水清洗步骤（4）中吸附了钽后的树脂，再烘干；

（6）将步骤（5）中得到的树脂在惰性保护气氛中热处理；

（7）将步骤（6）热处理得到的产物粉碎后酸洗，然后再用去离子水清洗，干燥后即得到掺氟纳米碳化钽/石墨化碳复合材料。

上述制备方法中，步骤（1）所述的预处理采用的方法包括酸碱处理法或次氯酸盐处理法中的一种或者两种方法的结合。