[发明专利]一种甲醇燃料电池阳极复合纳米催化剂材料及其制备方法与应用在审

专利信息
申请号: 202210268170.2 申请日: 2022-03-18
公开(公告)号: CN114614032A 公开(公告)日: 2022-06-10
发明(设计)人: 朱桂生;章明美;唐丽;黄春霞;马克和;刘娟;邱海芳;王永安;谭永明 申请(专利权)人: 江苏索普化工股份有限公司;江苏索普(集团)有限公司;江苏索普聚酯科技有限公司
主分类号: H01M4/90 分类号: H01M4/90;H01M4/88;H01M4/86;H01M8/1011;B82Y30/00;B82Y40/00
代理公司: 上海政济知识产权代理事务所(普通合伙) 31479 代理人: 谭晴霞
地址: 212000 江*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 一种 甲醇 燃料电池 阳极 复合 纳米 催化剂 材料 及其 制备 方法 应用
【说明书】:

发明提供了一种甲醇燃料电池阳极复合纳米催化剂材料的制备方法,称量一定比例的Zn(NO32·6H2O和Fe(NO33·9H2O溶于甲醇和乙醇的混合液中,磁力搅拌均匀后。加入2‑甲基咪唑的甲醇和乙醇混合液,待充分搅拌后,取制备好的的氧化石墨烯的甲醇溶液加入,将烧杯封保鲜膜放入集热式磁力加热搅拌器中,在60℃加热搅拌反应24 h。将经离心干燥碾磨后得到的固体粉末在管式炉中热解,使其以2℃min‑1升温至1100℃,以1100℃加热1 h,即可得到复合纳米催化剂Fe/NC@rGO。本发明通过氧化石墨烯的复合不仅能增大材料的比表面积,而且为金属有机框架衍生碳材料提供大量的附着点,防止单一的金属有机框架衍生碳材料的团聚现象的发生,石墨烯的存在还进一步提高了材料的导电性。

技术领域

本发明属于燃料电池MOR催化材料技术领域,具体涉及一种甲醇燃料电池阳极复合纳米催化剂材料及其制备方法与应用。

技术背景

能源如何高效率利用一直是科学家们重点研究的方向。伴随着传统能源的日益消耗,非传统能源利用以及传统能源使用后给地球带来的负担和环境的污染问题不得不让新能源科学家们在新能源利用研发的道路上持续探索。如何能源高效率利用以及无污染的清洁能源的利用正是现在亟待解决的问题,而甲醇燃料电池因为环保、能量密度高、排放物无污染和高的能量转化率受到广泛关注。

高温还原金属的团结现象是制备传统金属材料时亟待解决的一个问题,而金属有机框架是一种金属与有机物的特殊结构,在高温碳化之后,得到的金属粒子能均匀的分散在有机物衍生碳中,很大程度上防止了金属粒子的团聚现象的发生。由锌离子合成的二甲基咪唑ZIF-8(以下简称ZIF-8)是一种较为特殊的有机金属框架,由于锌的沸点较低,将ZIF-8在907℃以上温度热解,锌会因高温蒸发而留下多孔衍生碳,多孔衍生碳具有较大的比表面积以及较为稳定的形貌。利用ZIF-8特殊的结构,将铁均匀的分散在其中,在ZIF-8有机金属框架中,锌粒子的存在能进一步的分散铁离子,经高温碳化之后铁纳米粒子的尺寸也能有效降低。更小的纳米粒子意味着材料拥有更多的活性位点,从而材料的催化活性也能进一步提升。

氧化石墨烯作为一种高活性的碳载体,一直被广泛应用于金属的碳载体,氧化石墨烯拥有较大的比表面积,表面的氧能结合其他纳米粒子形成稳定的复合结构。

金属有机框架特殊结构虽然能降低金属的团聚现象,但是形成的碳材料导电性差且结构相对较不稳定,将金属有机框架与石墨烯材料结合是一个尝试。理论上,石墨烯较大的比表面积为碳材料提供大量的附着位点,使固定在其表面的衍生碳材料更加稳定,而石墨烯优异的导电性同样也弥补了有机金属框架衍生碳的导电性的不足。

于是,我们首先制备了铁掺杂的ZIF-8金属骨架,再加入氧化石墨烯形成氧化石墨烯与有机金属框架结合物,经高温热解后,锌随高温蒸发在衍生碳材料表面形成大量的碳纳米孔,氧化石墨烯被还原成还原氧化石墨烯。制备出复合纳米催化剂Fe/NC@rGO材料具有优异的醇氧化活性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有条件下醇氧化催化材料不足及制备方法不完善的相关问题,如高温碳化的金属材料易团聚,金属粒子分散不均匀,双金属有机金属框架形貌不易形成,高温碳化后的有机金属衍生碳材料导电性差等。本发明提供一种甲醇燃料电池阳极复合纳米催化剂材料的制备方法:

(1) 将六水合硝酸锌Zn(NO32·6H2O和九水合硝酸铁Fe(NO33·9H2O加入到甲醇和乙醇的混合液中,不断搅拌得到均匀溶液A。

(2) 向溶液A中加入溶解二甲基咪唑的甲醇和乙醇混合液,搅拌得到混合物B。

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