[发明专利]基于焦耳热热解制备碳基电催化剂的方法

说明书

本发明公开了一种基于焦耳热热解制备碳基电催化剂的方法，以碳纤维布为基体，以硫酸和苯胺为原料，采用电化学聚合方法制备碳纤维布载聚苯胺前驱体；在保护气氛下，在该碳纤维布载聚苯胺前驱体两端通电，利用焦耳热产生的高温热解得到碳基电催化剂。本发明将电流直接通入到前驱体两侧，提高了热量利用率；电流瞬间通入并使前驱体达到高温状态，缩短了热解时间，避免了常规利用电炉热解存在的热量利用不集中、热解时间过长的问题。

技术领域

本发明涉及一种低成本的碳基电催化剂的制备方法，具体是指利用焦耳热热解碳纤维布载聚苯胺前驱体制备碳基电催化剂，属材料制备和电化学领域。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell,FC)是一种环境友好且高效率的新能源发电装置，其电能来源于阳极端燃料和阴极端氧化剂所蕴含的化学能。FC的氧化剂有氧气(O₂)、空气或过氧化氢(H₂O₂)三种。由于太空、水下等环境中的O₂或空气量匮乏，因此，以H₂O₂作为氧化剂的FC在这些无氧环境中备受青睐。以H₂O₂为氧化剂的FC通常表现出更佳的电输出性能，这是因为H₂O₂能够直接溶于液相中，传质过程较快，而O₂气体在液相中的溶解、扩散以及吸附过程均较为缓慢，限制了氧还原(Oxygen Reduction Reaction,ORR)的传质速率。不仅如此，相比于ORR的4电子反应，H₂O₂电还原反应仅转移2电子，因而具有更快的反应动力学过程。

迄今为止，已报道的用于酸性介质中H₂O₂电还原的催化剂有如下三类：一、钯、铂、金等贵金属；二、过渡金属大环配合物；三、非金属碳基材料。其中，贵金属的催化活性最为优异，研究最为广泛，但其存在成本高昂、易于促进H₂O₂自分解的缺点；过渡金属大环配合物的活性较低，导致了其实用化程度不高；而非金属碳基材料兼具低成本和高催化活化的优点，因此逐渐进入了研究者们的视野。

非金属碳基材料是以C为基本元素，N、S、O、Fe、Co等为掺杂元素的一种催化剂。其最初被当作为取代铂系贵金属最佳的ORR催化剂，由于H₂O₂电还原是ORR的副反应之一，所以同样可催化H₂O₂电还原。非金属碳基材料的制备思路通常是：使用电炉高温热解含C、N、X(X＝Fe，Co，O等)元素的前驱体得到C-N-X。C-N-X的前驱体的选择范围极广，即可以是自然环境中已存在的生物质，例如树木、小麦、柳絮等，也可以采用通过物理方法提取或人工合成的有机物，例如煤焦油、焦碳、沥青、塑料、导电聚合物等。

高温热解方法广谱性强，但采用电炉来进行热解存在诸多局限，第一，设备结构所限使得电炉需要缓慢升温和降温；第二，热解时前驱体通常置于电炉体腔内，导致热量利用不集中，因此，电炉热解制备C-N-X既耗时又耗能，大大增加了制造成本。为此，寻求一种节时、节能的低成本热解方法成为了制备非金属碳基材料的一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于焦耳热热解制备碳基电催化剂的方法，电流直接通入到碳纤维布载聚苯胺前驱体两侧，提高了热量利用率；电流瞬间通入并使前驱体达到高温状态，缩短了热解时间，避免了常规利用电炉热解存在的热量利用不集中、热解时间过长的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于焦耳热热解制备碳基电催化剂的方法，其主要步骤包括：以碳纤维布为基体，以硫酸和苯胺为原料，采用电化学聚合方法制备碳纤维布载聚苯胺前驱体；在保护气氛下，在该碳纤维布载聚苯胺前驱体两端通电，利用焦耳热产生的高温热解得到碳基电催化剂。