[发明专利]一种氮掺杂碳纳米纤维负载金纳米颗粒氧还原催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备领域，具体涉及一种氮掺杂碳纳米纤维负载金纳米颗粒氧还原催化剂的制备方法和应用的制备和应用。

背景技术

石油资源的不断开采和使用引发了能源危机和环境污染，成为了全球共同关注的焦点话题。目前，全球各地的科研机构和专家学者纷纷在开发和探索新能源或新能源技术，使能源和环境走上可持续发展的道路。其中燃料电池作为一种能量的转换装置，引起了人们的关注。燃料电池具有能量转换效率高、能量密度高，绿色清洁等优点，目前已经应用在新能源汽车的动力系统和发电系统等领域。

燃料电池阴极缓慢的氧还原反应一直制约着燃料电池的发展。一般情况下都是采用阴极催化剂来加速氧还原反应，而贵金属铂就是当前最常见的阴极氧还原催化剂。铂的氧还原催化活性和选择性高，是目前应用最多的阴极氧还原催化剂，但是铂在自然界的储量少、且价格昂贵、稳定性差等不足制约了此类催化剂在燃料电池上的应用。

因此，开发更廉价，高效和稳定的阴极氧还原催化剂对燃料电池的推广应用具有重要的意义。

发明内容

本发明目的在于开发出更廉价，高效和稳定的阴极氧还原催化剂而提供了一种氮掺杂碳纳米纤维负载金纳米颗粒氧还原催化剂。

为了实现以上目的，本发明提供一种氮掺杂碳纳米纤维负载金纳米颗粒氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：

1)细菌纤维素的前处理：用去离子水将细菌纤维素浸泡至中性；

2)细菌纤维素和聚多巴胺复合物：取步骤1)处理好的细菌纤维素加入到50mL 0.1mol·L^-1的多巴胺水溶液中，在恒温水浴中搅拌混合均匀，加入20mL pH＝8.5的Tri-HCl缓冲溶液，使多巴胺聚合在细菌纤维素上，得到细菌纤维素和聚多巴胺复合物；

3)氮掺杂碳纳米纤维：将步骤2)得到的细菌纤维素和聚多巴胺复合物冷冻干燥，干燥后将其放入程序升温管式炉中，在惰性气体的保护下升温炭化，降温冷却至室温后得到氮掺杂碳纳米纤维；

4)氮掺杂碳纳米纤维负载金纳米颗粒：取步骤3)得到的氮掺杂碳纳米纤维100mg分散于50mL去离子水中，然后加入浓度为10mg·mL^-1的氯金酸水溶液，超声分散成均匀的混合液，再往混合液加入还原剂，持续搅拌后得到氮掺杂碳纳米纤维负载金纳米颗粒。

本发明氧还原催化剂的制备方法，步骤1)所述的细菌纤维素切成小片，规格为2cm×2cm。

本发明氧还原催化剂的制备方法，步骤2)所述的恒温水浴温度为50℃。

本发明氧还原催化剂的制备方法，步骤3)所述的惰性气体是氮气或氩气，所述的炭化温度为800℃，所述升温速率为1.5-3℃·min^-1，炭化时间为1-2h，所述降温速率为3-5℃min^-1。

本发明氧还原催化剂的制备方法，步骤4)所述的还原剂为硼氢化钠，搅拌时间是2-6h。

本发明获得的氮掺杂碳纳米纤维负载金纳米颗粒的氧还原催化剂，其比表面积为286.7-313.2m²·g^-1，碳纳米纤维的直径为50-100nm，碳纳米纤维表面负载的金纳米颗粒分布比较分散。

本发明提供的氮掺杂碳纳米纤维负载金纳米颗粒氧还原催化剂，氮掺杂碳纳米纤维表面有丰富的孔结构，金纳米颗粒均匀分散在氮掺杂碳纳米纤维表面，且金纳米颗粒的直径为5-8nm，金的负载量为5％-20％。

本发明氧还原催化剂的制备方法，具有的优点和有益效果是：

1)细菌纤维素表面形成的多孔结构一方面能够提供较大的比表面积，有利于氧还原过程氧气的扩散和电解液的填充；另一方面，金纳米颗粒镶嵌在这个多孔的碳层中，避免了氧还原反应过程中金纳米颗粒的聚集和脱落，有利于保持催化的稳定性。

2)将该氮掺杂碳纳米纤维负载金纳米颗粒的氧还原催化剂的氧还原性能与20wt％Pt/C进行比较，该催化剂无论是起始电位、半波电位或极限电流，都跟20wt％的Pt/C非常接近，表明了该催化剂优异的氧还原催化活性。在相同条件下对它们进行循环寿命测试，结果也表明该催化剂具有优于20wt％的Pt/C的稳定性。

3)本发明的催化剂制备方法简单，在碱性条件下氧还原性能优异。相对于Pt催化剂，该催化剂成本较低，稳定性良好。

附图说明

图1是Au-N/CNFs-2的扫描电子显微镜图。

图2是Au-N/CNFs-2的透射电子显微镜图。

图3是Au-N/CNFs-2的元素分析图。