[发明专利]一种硝基亚铁酞菁/石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及甲醇燃料电池阴极催化剂应用技术领域，具体涉及一种硝基亚铁酞菁/石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中的一类，是直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇作为燃料的供给来源。作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的一种，DMFC具备低温快速启动、燃料洁净环保以及电池结构简单等特性，这使得DMFC有可能成为未来便携式电子产品应用的主流，但是DMFC阳极的甲醇易发生交叉渗透，可导致电池性能衰减增快，同时，DMFC的阴极催化剂通常使用的是Pt系催化剂，如Pt-Ti，Pt-Cr，Pt-Fe-Co，Pt-Co-Ga，Pt-Rh-Fe，Ru-Cr-Se，这类催化剂首先成本较为昂贵，其次催化剂的催化性能受到阳极交叉渗透甲醇的影响后会出现明显的降低，因此这些缺点严重限制了其商业化的过程。

为了解决DMFC存在的上述缺点，各国研究者寻找可替代Pt系催化剂的阴极材料做了大量的研究，其中，以过渡金属合金、过渡金属氧化物、金属硫化物、硼碳硫掺杂的碳材料、M-N4大环碳材料的复合物等基础催化剂研究得最多。除此之外，掺杂氮、硼、硫等的碳材料，导电聚合物，杂多酸化合物等是研究比较广泛的。二十世纪末，更多的人开始将目光集中在过渡金属氧化物的甲醇燃料电池催化剂上，包括单过渡金属氧化物，如MnO₂、CrO₂和TiO₂等，及多过渡金属氧化物，如烧绿石、钙钛矿、尖晶石、LaMnO₃、La₁-xSrxFeO₃、Cu_1.4Mn_1.6O₄和LaMnO₃等。通过对过渡金属氧化物催化剂的氧气还原催化进行大量实验研究，发现过渡金属氧化物催化剂不仅具有成本低、耐氧化及高催化活性等优点，而且拥有比Pt系催化剂更好的耐甲醇性能。

酞菁是一种具有18个电子的大共轭体系的化合物，它具有特殊的二维共轭π电子结构，对光、热具有较高的稳定性。同时，酞菁分子的配位能力很强，它几乎可以和元素周期表中所有的金属元素发生配位，形成金属酞菁配合物；它也可以衍生出多种多样的取代配体，可以依据合成目标对配体进行设计、裁剪和组装。自1963年Calvin等首次用酞菁催化氢交换反应以来，人们对酞菁化合物的催化性能进行了广泛深入的研究，制备了多种均相、多相和模拟酶催化剂，涉及氢交换、加氢、氮氧化物的还原、氧的还原、脱羧、聚合等数十种反应。Svensson(Svensson N A.Methord of perpairing Substitued Cyclic Carboxylic Acids by Oxidation OF Cyclic Hydrocarbon with Air or Oxygen Using Metal Complex Catalysts.U.S.patent,4886204.1989-09-12)用金属酞菁催化空气在常温下将邻硝基甲苯氧化成邻硝基苯甲酸，收率高达95％。Parton等(Parton R F,Vankelecom Ivo F J,Casselman M J A,et al.An Efficient Mimic of Cytochrome p-450from a Zeolite-Encaged Fe Complex in a Polymer Membrane.Nature,1994,370:541-545)在模拟生物酶催化剂方面进行了开创性和卓有成效的工作。水溶性酞菁化合物作为光动力疗法的光敏剂在医药上有重要的应用。酞菁对波长600～700nm的光有很强的吸收，对肿瘤有较强的杀伤力。目前发现的磺酸基铝酞菁有很好的生物活性，作为光动力疗法治疗肿瘤的敏化剂大有发展前途。金属酞菁化合物不仅是在物理性能上，而且在化学以及电化学催化活性上都有着优越的表现，其在化学、电子、医药等高技术领域都有着广泛的应用，因此利用金属酞菁化合物作为取代Pt/C成为DMFC催化剂的研究更具深远的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，贵金属纳米催化剂(主要是Pt)制作成本高、活性及稳定性差的缺陷。为解决上述问题，本发明提供一种硝基亚铁酞菁/石墨烯复合材料及其制备方法。