[发明专利]一种石墨化含氮碳材料及作为电催化剂载体的应用

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种石墨化含氮碳材料及其制备方法；本发明同时还涉及该石墨化含氮碳材料作为电催化剂载体用于制备燃料电池催化剂。

背景技术

碳元素是地球上一切生物有机体的骨架元素，广泛存在于茫茫的宇宙之中。碳材料因C-C原子间化学键键合的多样性，致使其微观结构多样性。碳材料由于具有良好的力学性能、导电性能、耐腐蚀性能和吸附性能等，在能源材料、催化材料、医用材料和环境材料等诸多的领域得以广泛的应用。随着科学技术和材料制备合成技术的进步，碳及其新型碳材料不断被发现，极大丰富了碳化学。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型石墨化含氮碳材料。

本发明的另一目的是提供一种石墨化含氮碳材料作为电催化剂载体在制备燃料电池催化剂中的应用。

一、石墨化含氮碳材料

本发明的石墨化含氮碳材料，是以动物蛋白蚕茧为原料，经酸处理、漂洗、干燥后，置于管式炉中高温煅烧而得。

所述蚕茧的酸处理工艺为：将动物蛋白蚕茧用1~20 mol/L的硝酸溶液于40℃~100℃热处理3~10h。

所述高温煅烧工艺为：在氮气气氛下，于800℃~1500℃煅烧1~8小时。

用X射线光电子能谱仪进行元素分析测定，测得本发明含氮碳材料中含氮量为5~5.5%。

下面通过扫描电镜（SEM）、热重分析（TG）、拉曼（Raman）、BET等，对本发明的新型含氮碳材料的结构和性能进行分析说明。

图1、2分别为蚕茧碳化前后的扫描电镜图。从图1、2可以看出，碳化前的蚕茧呈现均匀的树枝状结构；碳化后的蚕茧呈均一的块状结构，说明了碳化后蚕茧原有的有序结构被破坏，最终得到了石墨化的碳材料。

图3为本发明新型含氮碳材料的TG图。从图3中可以看出，动物蛋白蚕茧在整个碳化过程中的质量损失情况：25℃~200℃主要是蚕茧中自由水的受热分解；200℃~800℃主要是蛋白有机物分解产生氨气等；800℃以后质量基本上不变，以此可以确定适宜的碳化温度为800℃以上。

图4为本发明新型含氮碳材料（记为CNx）和商业XC-72碳粉的拉曼图。从图4可以看出，本发明新型含氮碳材料在1302cm^-1和1590 cm^-1分别出现了碳材料所特有的D峰和G峰。相比于XC-72碳粉，含氮碳材料的峰形较宽较强，且I_D/I_G的比值较XC-72碳粉的大（约为1.14）。说明本发明的含氮碳材料部分是由石墨组成的，并且以无序态存在。

图5、图6为含氮碳材料（CNx）的BET测试图。BET测试测得CNx的比表面积达到555.883 m2/g，比商业XC-72碳粉大了一陪多左右。由图5可知该含氮碳材料为典型的Ⅳ型吸附曲线，说明得到的碳材料为介孔碳材料，因此具有较大的比表面积，有利于催化剂的分散。图6为本发明含氮碳材料CNx的孔容-孔径的微分分布图，由图6可知，孔容为0.167 cm³/g，孔径为3.687 nm，说明该含氮碳材料是中孔碳材料，该孔道有利于催化剂的分散和电解液的扩散。

综上所述，本发明制备的含氮碳材料具有较大的比表面积，同时具有更好的稳定性，可作为电催化剂载体用于制备燃料电池催化剂。

二、电催化剂的制备

以本发明的含氮碳材料CNx为载体，通过电沉积金属Pt原子制备成燃料电池的电催化剂Pt/CNx。其具体制备工艺为：配制5mg/mLCNx的nafion溶液，超声分散均匀；取8ul该溶液滴于直径为5mm的玻碳工作电极上；待干燥后，在5mg/mL H₂PtCl₆+0.5MH₂SO₄溶液中进行15圈的循环伏安测试，即电沉积得到电催化剂Pt/CNx。

电催化剂Pt/CNx对甲醇的催化效果测试：在0.5 M CH₃OH/H₂SO₄溶液中进行循环伏安测试，并与Pt/XC-72催化剂进行对比，其结果如图7所示。由图7可以看出，本发明制备的Pt/CNx催化甲醇的氧化峰电流是3.26mA，Pt/C催化剂是1.36mA，说明以本发明制备的含氮炭材料作为电催化剂载体，通过电沉积金属Pt原子制备成燃料电池的催化剂具有更高的氧化电流。