[发明专利]铁氮共掺杂介孔碳纤维及其制备方法及在燃料电池中应用

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种铁氮共掺杂介孔碳纤维及其制备方法及在燃料电池中应用。

背景技术

燃料电池的阴极ORR是燃料电池性能的关键因素，在催化剂表面ORR以直接四电子或者两电子转移方式进行。商业阴极催化剂应该具有较好的稳定性，经长时间使用后催化活性几乎没有降低。催化剂还应该具有较好的抗甲醇干扰能力。基于铂的ORR催化剂是目前常用的阴极材料，基于铂的催化剂对ORR表现出较高的催化活性和较小的过电位。在阴极ORR往往具有较慢的电子转移速率，在设计阴极铂催化剂时需要使用更多量的铂来催化ORR。甲醇分子很容易穿过质子交换膜从阳极到达阴极，使阴极铂催化剂发生甲醇氧化反应，降低电池的输出功率和甲醇的利用率。目前铂催化剂具有以下缺点：自然界含量稀缺、成本高、稳定性和抗干扰性较差，限制了商业燃料电池的发展。阴极ORR催化剂是燃料电池的关键材料，发展低成本、高性能的非贵金属ORR催化剂对解决目前铂资源短缺、降低燃料电池成本、推动燃料电池研究的发展和产业化具有指导意义。铁氮共掺杂碳材料对氧气具有较好的ORR催化效果。特别是多孔的铁氮共掺杂碳材料，由于其较大的比表面积及多孔结构。较大的比表面积有利于催化活性位点的暴露。多孔结构有利于物质的传输。目前制备的铁氮共掺杂的介孔碳大多采用硬模板法，例如介孔硅模板SBA-15，单分散的硅模板等。这些模板需要提前制备。例如，介孔硅模板需要提前采用胶束自组装法制备，步骤比较复杂，不仅成本高，而且制备时间较长，如果可以廉价易得的物质作为模板制备介孔碳材料很大程度减少实验成本及实验周期。目前商业氧还原商业催化剂是Pt/C，成本较高，而且自然界存储量低，此外经长时间使用Pt的活性会降低，大大影响了催化剂的稳定性及电池的性能。采用铁氮掺杂的碳材料作为氧还原催化剂，成本较低，稳定性较好。催化剂制备方法简单：以往的制备铁氮共掺杂的介孔碳需要使用硬模板，需要提前制备模板，成本较高而且步骤繁琐。燃料电池的阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)是燃料电池性能的关键因素，铂材料是目前常用的ORR催化剂。基于铂的ORR催化剂对于氧气的还原具有较高的催化活性和较小的过电位，但是在铂催化剂表面ORR往往表现出较慢的电子转移速率。因此，在设计阴极材料时需要使用更多量的铂来催化ORR。铂作为一种贵金属，成本较高且自然界存储量较少，采用其作为阴极ORR催化剂将大大增加燃料电池成本。铂催化剂的稳定性较差，铂催化剂的电化学活性面积在长时间使用后会逐渐减下，很大程度上影响了其电化学活性。

综上所述，现有技术存在的问题是：之前制备的铁氮共掺杂的介孔碳存在制备步骤比较复杂，成本高，制备时间较长。如果没有模板存在条件下制备的铁氮共掺杂的介孔碳大多还有微孔，不利于催化物质的传质过程。因此寻找廉价易得的模板制备高效的铁氮共掺杂的介孔碳，可以减少实验成本。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种铁氮共掺杂介孔碳纤维及其制备方法及在燃料电池中应用。

本发明是这样实现的，一种铁氮共掺杂介孔碳纤维的制备方法，以煅烧的螃蟹壳、氯化铁、氰胺、酚醛树脂、嵌段共聚物、乙醇/水为原料，通过超声处理混合均匀，放置室温后待溶剂挥发，在氮气保护下，热解除去模板后得到铁氮共掺杂的介孔碳纤维；

所述螃蟹壳、氯化铁、氰胺、酚醛树脂、嵌段共聚物、乙醇/水的添加量分别为：螃蟹壳1g、三氯化铁0.1-0.3g、氰胺1g、嵌段共聚物0.5g、酚醛树脂溶液0.2g、乙醇/水40mL；其中，按体积比乙醇/水＝1:1。嵌段共聚物为嵌段共聚物P123。

进一步，所述螃蟹壳在空气中350度煅烧3小时，除去螃蟹壳中纤维素及其他有机物。

进一步，所述螃蟹壳、三氯化铁、氰胺、嵌段共聚物P123、酚醛树脂溶液在乙醇/水的混合溶液中，超声处理，形成混合分散液。

进一步，所述混合分散液转移至培养皿中，室温挥发24小时。

进一步，挥发后的糊状固体放置在烘箱中引发低分子量的酚醛树脂的聚合。

进一步，聚合后的混合物从培养皿中刮下，在氮气保护下900摄氏度煅烧3小时，酚醛树脂在高温下碳化得到介孔碳。

进一步，采用稀盐酸除去螃蟹壳得到具有纤维网络结构的铁氮共掺杂的介孔碳纤维。

本发明的另一目的在于提供一种所述铁氮共掺杂介孔碳纤维的制备方法制备的介孔碳纤维。

本发明的另一目的在于提供一种由所述介孔碳纤维制造的燃料电池。