[发明专利]一种中空石墨化结构碳纳米笼材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种中空石墨化结构碳纳米笼材料的制备方法，包括步骤如下：将单质镁与干冰室温燃烧，得到中空多孔石墨化结构碳材料(CM)。将中空多孔石墨化结构碳材料与氯钯酸溶液混合，乙醇回流加热反应，制备Pd负载的CM催化剂。本发明制备的中空多孔石墨化结构的碳纳米笼材料，其尺寸均一，平均尺寸为150nm左右，可重复性强，中空多孔结构导致其较高的比表面积，导电性强，是一种较好的催化剂载体，有助于均匀分散Pd纳米粒子，增加其催化乙醇性能。

技术领域

本发明涉及一种中空石墨化结构碳纳米笼材料的制备方法，属于燃料电池催化剂技术领域。

背景技术

随着化石燃料消耗量的日益增加以及储量的不断减少，低温燃料电池(直接甲醇燃料电池DMFC，直接乙醇燃料电池DEFC，直接甲酸燃料电池DFAFC等)因其低成本、高功率密度、快速启动和低工作温度等特性，成为潜在的汽车和便携式电子设备的电源。众所周知，制备低成本、高性能和稳定性高的催化剂材料是燃料电池的终极目标。其中，优异的催化剂载体材料可有效的降低燃料电池催化剂的成本、增加活性位点、提高催化利用率以增加其性能及稳定性。

碳材料由于其良好的导电性、耐蚀性以及低成本被广泛用于燃料电池催化剂载体材料。其中，2-50nm孔径的介孔材料由于其较高的比表面积可广泛应用于CO2的吸附、超级电容器、电池、催化、分离等方面。目前介孔材料的制备方法主要有软模板以及硬模板法等。SBA-15被广泛应用制备介孔材料，但是其制备方法复杂，成本较高，无定型结构碳等缺点从而限制其广泛应用。为了更好的开发和利用介孔碳材料的固有性质，可以将其制备为中空介孔碳材料形成3D分层孔结构以增加其石墨化程度以及比表面积。目前而言，制备中空介孔碳材料主要采用二氧化硅作为模板，将其煅烧后再将其模板去除。该制备方法成本高、工艺繁琐、且不能批量生产。

中国专利文件CN104118858A(申请号：201310150154.4)公开了一种空心碳纳米笼材料的制备方法。该方法是将柠檬酸铁铵置于石英舟内，然后放入装有石英管的管式炉中；在惰性气氛下升高温度至600～1000℃，并保持1～5小时，冷却至室温；在酸溶液和60～100℃的温度下处理12-36小时，过滤水洗干燥后，得到空心碳纳米笼材料。但是，该方法制备复杂，反应条件苛刻需较高温度，且反应后酸处理除去模板制备空心碳纳米笼材料，成本较高。

综上所述，燃料电池中理想的催化剂支撑材料应该具备其制备方法简单、较高的环境稳定性、大的比表面积、高的电导率、强的抗腐蚀能力。目前中空介孔碳材料作为载体材料由于其制备方法复杂以及成本较高的缺点，从而限制其广泛应用。因此，必须采用一种简单高效的方法制备出中空介孔碳材料，将其应用于燃料电池载体有效协助提高催化剂电催化性能。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，解决上述问题，尤其是现有技术中采用软硬模板制备中空介孔材料，其制备过程繁琐，合成周期较长，且需要额外步骤去制备模板和去除模板。该制备方法往往成本较高且难以大规模生产。本发明提供一种镁条在干冰中点燃制备碳纳米笼材料的方法，将其负载Pd纳米粒子作为催化剂应用于乙醇燃料电池。该制备方法简单易操作，无需高温处理制备中空多孔石墨化结构碳材料。

本发明的技术方案如下：

一种中空多孔石墨化结构的碳纳米笼材料的制备方法，包括步骤如下：

将单质镁与干冰室温燃烧，得到中空多孔石墨化结构碳材料(CM)。

根据本发明，优选的，单质镁与干冰的质量比为(1-10)g：(2-5)kg，更优选(2-5)g：(2-5)kg；

进一步优选的，将干冰溶于水中得到干冰水溶液，再将单质镁加入到干冰水溶液中燃烧；

优选的，干冰与水的质量体积比为2-5kg/500mL。