[发明专利]Co、Fe元素修饰类石墨相氮化碳与氧化石墨烯的燃料电池负极催化剂的制备方法

说明书

本发明公开一种Co、Fe元素修饰类石墨相氮化碳与氧化石墨烯的燃料电池负极催化剂的制备方法，该方法在水热条件下，利用C₃N₄与氧化石墨烯为前驱体，在合成过程中进行掺杂Co、Fe元素，由于Co、Fe元素的协同效应与g‑C₃N₄、氧化石墨烯的多孔性与功能性，从而制得Fe‑Co‑g‑C₃N₄@rGO催化剂具有优良的电化学性能。本发明的优点在于水热法制备方法简单，反应温度低，无需后续处理条件且该复合材料对氧气还原反应具有优良的催化活性和稳定性，该发明制备的Fe‑Co‑g‑C₃N₄@rGO催化剂可用于燃料电池阴极催化剂等领域。

技术领域

本发明涉及一种Co、Fe元素修饰类石墨相氮化碳与氧化石墨烯的燃料电池负极催化剂的制备方法。

背景技术

ORR 作为多种燃料电池和金属电池的阴极反应，其反应途径复杂、过电势高，缓慢反应动力学过程需要高效的 ORR 电催化剂来催化，而目前较为广泛商业化的铂(Pt)基催化剂成本高、稳定性较差。因此，制备高效、稳定、低成本和选择性好的阴极氧还原催化剂是实现燃料电池商业化的关键途径。

石墨化氮化碳(g-C₃N₄)聚合物具有石墨状sp²结合C - N结构，由于其特有的热稳定性，适当的电子结构和低成本制备，在光催化制氢、无金属多相催化各种有机体系和氧还原燃料电池等领域中是一种很有前途的催化材料。特别是g-C₃N₄含有所谓的“氮罐”，它具有丰富的瓜部，是修饰分子电子结构和其原有性质的潜在理想位点。石墨烯具有更大的比表面积、更好的导热导电性以及更快的电荷迁移率，它是一种典型的sp²结构材料，具有优异的电子导电性和环境友好性，被认为是构建催化剂或碳载体的优秀候选材料，对各种能量转换和存储设备至关重要。因此，将石墨烯和g-C₃N₄这两种均质结构结合起来，可以将它们各自的优点结合在一起，从而得到性能增强或独特的复合材料。

发明内容

本发明目的在于提供一种Co、Fe元素修饰类石墨相氮化碳与氧化石墨烯的燃料电池负极催化剂的制备方法。

本发明目的通过下述方案实现：一种Co、Fe元素修饰类石墨相氮化碳与氧化石墨烯的燃料电池负极催化剂的制备方法，所述类石墨相氮化碳为g-C₃N₄，其特征在于在水热条件下，利用C₃N₄与氧化石墨烯为前驱体，在合成过程中进行掺杂Co、Fe元素，由于Co、Fe元素的协同效应与g-C₃N₄、氧化石墨烯的多孔性与功能性，从而制得Fe-Co-g-C₃N₄@rGO催化剂具有优良的电化学性能，它包括如下步骤：

(1) 先称取40-60g尿素在马弗炉内进行500℃烧结，升温速度为2~5℃/min，烧结时间为2~5h，得到淡黄色的C₃N₄粉末；

(2) 分别称取0.1g~0.3g的FeCl₂•4H₂O、CoCl₂•6H₂O与0.1g~0.5g的C₃N₄置于烧杯中，再称取0.02g~0.1g的氧化石墨烯置于此烧杯中；

(3) 向上述原料中加入20ml去离子水，将溶液在80℃的水浴中搅拌2 h；

(4) 将上述反应物冷冻干燥后，放入充满Ar的管式炉中，以 5℃ /min的速率升温至600℃并保温5 h，冷却到室温；