[发明专利]一种铁氮共掺杂碳微球及制备方法、用途和氧还原电极

说明书

本发明涉及一种铁氮共掺杂碳微球复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：S1：将六氯丁二烯、铁源化合物与含氮化合物在高温高压下进行密闭反应；S2：反应结束后，泄压至常压，并自然冷却至室温，将所得固体干燥，得到干燥样品；S3：将所述干燥样品在惰性气体保护下进行高温焙烧处理，从而得到所述铁氮共掺杂碳微球复合材料；还涉及所述复合材料、用途和包含其的氧还原电极。所述铁氮共掺杂碳微球复合材料具有优异的性能，可用来制备燃料电池的氧还原电极，从而可用于燃料电池中，并表现出了良好的电化学性能，在电化学领域具有巨大的应用潜力和工业价值。

技术领域

本发明提供了一种复合材料及其制备方法、用途和由其制得的电极，更具体而言，提供了一种铁氮共掺杂碳微球及制备方法、用途和包含其的氧还原电极，属于无机功能材料和电化学能源技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)拥有启动快、寿命长、能量大、无污染等优异特点，从而在汽车动力装置、移动电源以及发电厂等诸多领域都有着良好的应用前景。但另一方面，由于还存在诸多技术瓶颈不能解决，导致质子交换膜燃料电池离真正的商业化应用还有比较遥远的距离。

迄今为止，最为常用的燃料电池催化剂是铂基催化剂。但由于铂价格昂贵、资源匮乏，致使催化剂的成本很高。同时铂基催化剂也存在诸多缺陷，例如稳定性差、易中毒、质量活性低等。因此，寻找廉价活性高、稳定好的催化剂倍受关注。

近几年来，具有高比表面积，优异的导电性和稳定性的碳材料例如碳纳米管、介孔碳等已被广泛地应用于燃料电池方面，例如：

CN101635354A公开了一种碳纳米管掺杂非晶相氢氧化镍电极活性材料的制备方法。该方法以镍盐、强碱和碳纳米管为主要原料，以表面活性剂异辛基酚聚氧乙烯醚和乙醇为辅助原料，通过快速冷冻化学共沉淀法制备碳纳米管掺杂非晶相氢氧化镍电极活性材料。所制备产品材料制成镍电极组成氢镍电池，放电比容量高，循环性能好。所述方法操作简单、方便、条件易于控制，制备的材料电化学性能稳定，适合用作高容量碱性二次电池正极活性材料

CN102117918A公开了一种氮掺杂碳纳米管在制备微生物燃料电池阴极中的应用及其制备方法，是将氮掺杂碳纳米管粉末作为微生物燃料电池的氧还原催化剂。具体制备方法是将氮掺杂碳纳米管、导电材料以及粘结剂按比例混合；向混合物中加入溶剂，混合均匀，并超声分散；将超声混合物均匀地涂敷在导电基底上；自然风干形成微生物燃料电池阴极。与以常规贵金属铂为阴极氧还原催化剂组装的微生物燃料电池相比，以氮掺杂碳纳米管为阴极氧还原催化剂的微生物燃料电池输出功率更高，运行稳定性更佳。与铂催化剂相比，氮掺杂碳纳米管价格低廉。

CN102416337A公开了一种氮掺杂碳纳米管燃料电池催化剂的制备方法。其采用双温区法制备氮掺杂碳纳米管，先将固体碳源和氮源前驱体置于低温区加热升华，然后通过载气将升华的前驱体带入高温区进行碳纳米管的沉积。该将前驱物置于低温区的方法可以有效避免进气管道和设备接口的腐蚀，同时载气流速比较低，前驱物可以在高温区充分反应，提高氮掺杂碳纳米管的产量。所述方法简单易行，操作安全，生产成本低廉。所述氮掺杂碳纳米管催化剂可应用于燃料电池领域，具有高效的氧还原催化性能，具有媲美和替代Pt/C催化剂的潜力。

CN103041827A公开了一种燃料电池用氮掺杂纳米碳电催化剂及其制备方法，所述电催化剂以苯胺作反应前驱体，将苯胺、表面活性剂与可溶性过渡金属盐共混后在酸性和高氧化条件下聚合，干燥后将其在惰性气体和/或氨气气氛保护下高温炭化，最后进行酸处理制备而成。所述电催化剂制备方法简单易控，易于规模化生产。该催化剂在酸性介质燃料电池中具有和Pt/C相比的氧还原催化活性、稳定性和选择性；在碱性介质燃料电池中具有比商业化Pt/C更高的催化活性和稳定性。此外，该催化剂还具有低成本和高抗毒性能，可以替代铂用作燃料电池氧还原电催化剂。