[发明专利]一种钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法在醇类燃料电池阴极催化剂中的应用。所述制备方法为：依次将钴盐、高分子聚合物加入至有机溶剂中，得到溶液A；依次将锌盐、高分子聚合物加入至有机溶剂中，得到溶液B；通过同轴静电纺丝技术，将溶液A作为外层，将溶液B作为内层，利用静电纺丝前驱液制备出聚合物纳米纤维；将聚合物纳米纤维热处理后，即得钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂。本发明步骤简单，易操作，实施条件易控制，无需利用模板，也无需进行活化刻蚀即可得到钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂，且拥有与商业铂碳相近的氧还原性能，其成本低、效率高、无污染，可作为醇类燃料电池阴极催化剂。

技术领域

本发明涉及一种钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法及应用，属于燃料电池氧还原催化剂材料技术领域。

背景技术

直接醇类燃料电池是一种受到广泛关注的新能源技术，是最接近商业化应用的燃料电池。铂基电催化剂是直接醇类燃料电池中应用最广泛的电催化剂，但是由于铂的储量少、价格昂贵，且其使用寿命比较短，导致目前直接醇类燃料电池无法大规模商用。因此，研发低成本、高活性、高稳定性的阴极非贵金属催化剂是解决该问题的关键。

目前，对于氧还原催化剂的研究多为碳基催化剂。单纯的碳材料虽然导电性能较好，但是其催化活性较差，很难达到人们对理想电化学催化剂的要求。因此，人们将目光放在了碳基非贵金属催化剂的研究上，例如过渡金属(Co、Fe、Ni或Mn)-氮-碳(M-N-C)复合物，这类催化剂在氧还原过程中表现出了类似Pt基催化剂的活性，同时制备这类催化剂的原料成本低，具有较好的应用前景。目前的M-N-C催化剂多采用碳纳米管、石墨烯或其他碳材料为载体，其制备方法复杂、成本较高，限制了其进一步应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有M-N-C催化剂采用碳纳米管、石墨烯或其他碳材料为载体，其制备方法复杂、成本较高的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了以下技术方案：

一种钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1)：静电纺丝前驱液的制备：

步骤1-1)：依次将钴盐、高分子聚合物加入至有机溶剂中，得到溶液A；

步骤1-2)：依次将锌盐、高分子聚合物加入至有机溶剂中，得到溶液B；

步骤2)：聚合物纳米纤维的制备：通过同轴静电纺丝技术，将溶液A作为外层，将溶液B作为内层，利用静电纺丝前驱液制备出聚合物纳米纤维；

步骤3)：催化剂的制备：将聚合物纳米纤维热处理后，即得钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂。

优选地，所述步骤1-1)、1-2)中的有机溶剂均采用N,N-二甲基甲酰胺、高分子聚合物均采用聚丙烯腈；步骤1-1)中的钴盐采用硝酸钴；步骤1-2)中的锌盐采用硝酸锌。

优选地，所述步骤1)制得的静电纺丝前驱液中，高分子聚合物的质量百分含量为8-12％，钴盐及锌盐的质量百分含量之和为12-17％。

优选地，所述步骤2)具体为：将步骤1)中制得的静电纺丝前驱液注入至带有同轴不锈钢针头的注射器中，并将注射器放置在静电纺丝机上，在不锈钢针头与静电纺丝机的接收器之间施加恒定的高压直流电压，通过旋转接收器进行静电纺丝，即得到所述的聚合物纳米纤维。

更优选地，所述同轴不锈钢针头的内层内径为0.42mm，外层内径为1.11mm，不锈钢针头与接收器之间的直流电压为10-20kV，且不锈钢针头与接收器之间的距离为15-25cm；静电纺丝的过程中，接收器的旋转速率为30-80r/min，注射器的推注速率为0.001-0.1mm/min。

优选地，所述步骤3)中聚合物纳米纤维热处理具体为：先在马弗炉中进行一次热处理，再在管式炉中进行二次热处理。