[发明专利]一种基于酵母菌碳模板构筑多孔铁纳米复合碳材料的方法

说明书

本发明提供一种基于酵母菌碳模板构筑多孔铁纳米复合碳材料的方法，属于氧还原电催化技术领域。利用价廉易得的微生物酵母菌为碳模板，开发了以单宁酸络合铁离子的金属多酚超分子为表面黏附功能组装模块为基元，继而在氮气氛下高温碳化处理而得的多孔铁基碳纳米复合材料Csubgt;TA‑Yeast@Fe/subgt; NPs。该方法制备工艺简单、成本低、催化剂得率高、形貌均一、比表面积大。多孔铁纳米复合碳材料Csubgt;TA‑Yeast@Fe/subgt; NPs作为氧还原电催化剂具有较高起始电位、半坡电位、优异的极限电流以及高稳定性和较强的抗甲醇中毒能力，可替代传统商业Pt/C的高效电催化剂，具有很大的潜在应用价值和产业化前景。

技术领域

本发明属于氧还原电催化技术领域，具体涉及一种基于酵母菌碳模板构筑多孔铁纳米复合碳材料的方法。

背景技术

阴极较慢的氧化还原反应进程，大大阻碍了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的发展，需要一种高效的催化剂进行催化。传统的制备氧化还原电催化剂的方法是模板法，涉及模板的制备和去除。去除模板一般要用氢氟酸（HF）来刻蚀，而HF是高腐蚀性酸，合成过程中的操作具有较高的危险性，还会污染环境。目前，为了提高阴极电极上的氧化还原反应（ORR）的反应动力，需要大量昂贵的铂基电催化剂来提高此性能。但是，铂的价格十分昂贵、稀缺和耐久性、耐毒性差等问题阻碍了燃料电池系统在实际中的应用前景。因此发展高活性的非贵金属氧化还原反应催化剂是实现燃料电池商业化的核心步骤之一。而空心微球型金属氧化物纳米机构材料（Metallic Oxide Hollow Spheres）由于其具有特殊的形貌以及特别的结构，近年来在药物传递、微波吸收、高校催化、光子晶体、电磁流变等领域有着广泛的应用。目前，制备空心结构金属氧化物的方法主要是软模板法和硬模板法，然而这两种方法目前仍然存在着一定的局限性和缺点。因此进一步寻求模板廉价、条件温和、操作简单、环境友好的合成路线意义重大。

以微生物为模板合成多孔材料的优势在于：（1）用生物模板进行大规模繁殖容易，资源丰富并且取材容易；（2）充分利用微生物细胞壁表面存在的大量化学官能团能够大大提高金属吸附的效率，简化传统模板需要表面修饰的步骤；（3）细胞壁的多孔结构也有利于前驱物的沉积形成核壳结构；（4）材料合成后微生物还能为燃料电池提供丰富的碳源。

本文选用酵母菌因为作为生活中应用范围最广，最常见的微生物具有价格低，易获得，培养条件简单的优点，仅仅1g酵母菌中就含有2.8×10¹⁰个酵母细胞。而氧化铁因为其导电性能好、低成本、低毒性以及资源丰富等特点，可用作多相催化剂、电极活性材料、光导材料、传感材料等等。空心氧化铁与普通的氧化铁相比具有结构独特，性能优越等特点，在形成C_TA-Yeast@Fe NPs多孔铁基碳材料后可作为Pt/C催化剂的高效替代品，以为其实际应用化提供技术思路。

发明内容

本发明的目的在于解决目前燃料电池催化剂普遍面临前驱体单一，阴极氧还原反应可逆性很低，交换电流密度较小，铂基催化材料成本高且有毒性的问题，提供一种基于酵母菌碳模板构筑多孔铁纳米复合碳材料的方法。利用价廉易得的微生物酵母菌为碳模板，开发了以单宁酸络合铁离子的金属多酚超分子为表面黏附功能组装模块为基元，继而在氮气氛下高温碳化处理而得的多孔铁基碳纳米复合材料C_TA-Yeast@Fe NPs。多孔铁纳米复合碳材料C_TA-Yeast@Fe NPs作为氧还原电催化剂具有高起始电位、半坡电位，优异的极限电流以及优良的稳定性和很好的甲醇耐受性，拥有较强的抗甲醇中毒能力的优点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于酵母菌碳模板构筑多孔铁纳米复合碳材料的方法，包括以下步骤：

（1）将 FeCl₃·6H₂O溶于蒸馏水中制成FeCl₃溶液；

（2）将单宁酸溶于蒸馏水中制成单宁酸溶液；