[发明专利]利用废塑料制备Fe-N-CNT催化剂的方法及产品

说明书

本发明属于电化学催化剂领域，并具体公开了利用废塑料制备Fe‑N‑CNT催化剂的方法及产品。该方法包括将废塑料粉末和铁基催化剂在惰性气氛中加热一段时间，使废塑料热解过程中产生的热解气在铁基催化剂表面沉积形成碳纳米管；将碳纳米管酸洗后获得纯化碳纳米管，然后将该纯化碳纳米管与含氮化合物混合后充分研磨得到固体混合物；最后将固体混合物在惰性气氛下加热进行二次热解，冷却至室温后制得所述Fe‑N‑CNT催化剂。本专利提供的方法一方面可以避免废塑料造成的环境污染，另一反面也达到了废塑料资源化利用的目的，极大地降低了催化剂的制备成本，并且因操作简单、工艺参数易于控制、产率较高等优势，适合进行大规模生产。

技术领域

本发明属于电化学催化剂领域，更具体地，涉及利用废塑料制备Fe-N-CNT催化剂的方法及产品。

背景技术

自20世纪初塑料被发现以来，因其耐用、可塑、价廉等特点，被大量应用于许多行业。然而，因塑料大量使用造成了废塑料总量的快速增长，而废塑料难以处理对环境保护造成了严重的挑战。2017年全球累计产生83亿吨的废塑料，其中仅有30％左右的废塑料被回收，约30％的废塑料被填埋，剩下大量塑料制品被随意丢弃在自然环境中，如果不能及时处理废塑料的问题，不仅造成严重的环境污染，同时也造成了大量的资源浪费。

而燃料电池(Fuel Cells，FC)是一种能够连续不断地将储存在燃料与氧化剂中的化学能等温地转化为电能的电化学发电装置。作为一种绿色高效的能源转化装置，FC被较普遍地认为是当今最具有潜力取代汽车传统内燃机动力源以及燃煤电厂火力发电方式的技术之一。目前，铂、钯等贵金属仍是用作燃料电池阴极ORR反应的优良电催化剂材料，但却存在着制备成本高、资源稀缺匮乏和耐久性差等缺点。因此，想要实现燃料电池大规模的产业化，必然需要在新型高效的非贵金属ORR催化剂应用技术上取得实质性突破。

近年来，金属-氮-碳类(M-N-C，M表示过渡金属元素)复合材料催化剂被学界认为是最有希望的贵金属催化剂替代品并得到广泛关注。传统的金属-氮-碳类催化剂的制备通常是将金属、氮、碳三种前驱体混合物高温煅烧，之后酸洗得到催化剂。美国阿拉莫斯实验的Zelenay课题组设计的一种典型制备方法如下：在4℃下将苯胺与金属盐混合，聚合生成聚苯胺，之后加入高比表面积的科琴黑为碳载体，将混合物高温热解，酸洗得到Fe-N-C或Co-N-C催化剂。可见目前制备过渡金属-氮-碳类催化剂的方法，存在过程复杂、反应条件较苛刻等问题，特别是前驱体中必须使用碳载体，极大的增加了催化剂制备的成本。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种利用废塑料制备Fe-N-CNT催化剂的方法及产品，其中通过废塑料热解气在铁基催化剂表面沉积形成碳纳米管，并与含氮化合物充分混合制备Fe-N-CNT催化剂，相应的能够提高制得催化剂的性能，并减少废塑料带来的环境污染，因而尤其适用于制备氧还原反应催化剂之类的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种利用废塑料制备Fe-N-CNT催化剂的方法，该方法包括如下步骤：

(a)将废塑料粉末和铁基催化剂分别置于第一加热区和第二加热区中，在惰性气氛中加热一段时间，使废塑料热解过程中产生的热解气在铁基催化剂表面沉积形成碳纳米管；

(b)将所述碳纳米管酸洗后获得纯化碳纳米管，然后将该纯化碳纳米管与含氮化合物混合后充分研磨得到固体混合物；

(c)将所述固体混合物在惰性气氛下加热进行二次热解，冷却至室温后制得所述Fe-N-CNT催化剂。

作为进一步优选地，所述步骤(a)中采用液氮粉碎机将废塑料进行机械粉碎，所述废塑料粉末的粒径为0.5mm～1mm。

作为进一步优选地，所述步骤(a)中废塑料粉末和铁基催化的质量比为5:1～1:5。