[发明专利]一种以叶绿素为主要原料制备氧还原电催化剂的方法

说明书

本发明公开一种以叶绿素为主要原料制备氧还原电催化剂的方法，该方法所采用的原料包括叶绿素溶液、金属源、氮源、炭黑、无机酸和过氧化物，制备步骤如下：将炭黑溶解在水中长时间超声分散；包裹聚合物；水洗；向干燥后的固体中加入水、叶绿素溶液和金属源，旋蒸，干燥，粗磨，得到粉末状固体，成分为富含叶绿素并掺杂金属的聚合物包裹的炭黑；再经初次热处理；酸洗；二次热处理后即得。本发明所制备的氧还原电催化剂完全不含有贵金属或仅含有超低含量的贵金属，而且采用廉价的含氮化合物(叶绿素为主，同时配合少量的苯二胺)取代卟啉、酞菁等价格昂贵的大环化合物，不仅所制备的氧还原电催化剂性能优良，而且成本低廉，容易量产。

技术领域

本发明涉及氧还原电催化剂的制备，具体地说是涉及一种以叶绿素为主要原料制备氧还原电催化剂的方法。

背景技术

叶绿素是高等植物和其他所有能进行光合作用的生物体含有的一类绿色色素。叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，是一类含脂的色素家族，位于类囊体膜。叶绿素吸收大部分的红光和紫光但反射绿光，所以叶绿素呈现绿色，它在光合作用的光吸收中起核心作用。叶绿素为镁卟啉化合物，包括叶绿素a、b、c、d、f以及原叶绿素和细菌叶绿素等。叶绿素不很稳定，光、酸、碱、氧、氧化剂等都会使其分解。酸性条件下，叶绿素分子很容易失去卟啉环中的镁成为去镁叶绿素。高等植物叶绿体中的叶绿素主要有叶绿素a和叶绿素b两种。叶绿素a分子式：C₅₅H₇₂O₅N₄Mg；叶绿素b分子式：C₅₅H₇₀O₆N₄Mg。在颜色上，叶绿素a呈蓝绿色，而叶绿素b呈黄绿色。按化学性质来说，叶绿素是叶绿酸的酯，能发生皂化反应。叶绿素分子含有一个卟啉环的“头部”和一个叶绿醇的“尾巴”。镁原子居于卟啉环的中央，偏向于带正电荷，与其相联的氮原子则偏向于带负电荷。叶醇是由四个异戊二烯单位组成的双萜，是一个亲脂的脂肪链，它决定了叶绿素的脂溶性。叶绿素不参与氢的传递或氢的氧化还原，而仅以电子传递(即电子得失引起的氧化还原)及共轭传递(直接能量传递)的方式参与能量的传递。

氢能被誉为人类的终极清洁能源。每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，燃烧的产物为水，是世界上最干净的能源。氢气可由水制取，而水是地球上最为丰富的资源。大力发展新能源汽车是应对全球能源短缺和环境污染的重大战略举措。在众多的新能源汽车中，燃料电池汽车因其具有零排放、效率高、燃料来源多元化、能源可再生等优势而被认为是未来汽车工业可持续发展的重要方向，是解决全球能源问题和气候变化的理想方案。美国能源部认为，燃料电池商业化有多种障碍，主要技术障碍首先是电池成本及寿命。燃料电池技术发电系统的核心是基于铂族金属(PGMs)电催化剂。铂是一种极为昂贵而稀有的金属，主要分布在5个国家和地区，其中南非占有已探明铂储量的75％，其余25％分布在津巴布韦、芬兰、俄罗斯和北美。每年产量仅200吨。铂金价格一般在300～600元/克，是普通化学品的数万倍。当前，影响燃料电池大规模商业化的主要问题是必须使用大量铂催化剂，尤其是阴极氧还原反应，从而导致燃料电池价格非常昂贵。因此，研制非铂催化剂引起了很大关注。

常用的导电炭黑的种类包括：Ketjenblack EC300J，BET表面积为800m²/g；Ketjenblack EC600JD，BET表面积为1400m²/g；Black Pearls 2000，BET表面积为1450m²/g；以及其他导电炭黑。其中，导电炭黑Ketjenblack EC600JD具有极高的BET比表面积，非常小的电阻率，约为0.3～1Ω·cm。从形貌上看，炭黑可分散的初级单元称为“聚集体”，它是一种单个的、独立存在的和坚固的胶态实体，它在分散良好的体系中是功能单元。对大多数炭黑而言，聚集体由许多熔融在一起的球状体所组成。通常把这些球状体叫做原生“粒子”或“不规则的球状体”。这些不规则的球状体，由许多微小的类石墨层堆积而成。这些石墨层构成了巨大的多环芳香环体系，具有惰性。由于炭黑是由烃类物质转化而来，石墨层基面边缘上悬空的价键，大部分被氢所饱和。

发明内容