[发明专利]一种氮化碳改性的甲醇电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供的一种氮化碳改性的甲醇电催化剂及其制备方法和应用，本发明以碳材料和含氮化合物为前驱体，均匀混合和高温煅烧后制得氮化碳/碳材料，并以此为基体，向其水和醇混合溶液中加入镍盐、锰盐和尿素，再经水热反应后即可制得氮化碳改性的NiMn双金属氢氧化物/碳纳米复合材料，该材料富含氧空位并对甲醇显示出优异的电催化活性。替代了传统的贵金属催化剂，为甲醇燃料电池提供了一种廉价易得且电催化活性突出的电催化剂。

技术领域

本发明涉及氮化碳基纳米材料的制备及其应用领域，特别涉及一种氮化碳改性的甲醇电催化剂及其制备方法和应用，具体为一种氮化碳改性的NiMn双金属氧化物纳米材料制备及其在甲醇燃料电池方面的应用。

背景技术

随着能源危机和环境污染的日益加剧，人们需迫切开发一种清洁、可持续发展的新型能源。甲醇燃料电池由于能量密度高、环境污染小等特点而受到广泛的关注。目前，甲醇燃料电池的制备关键是设计构造出电催化活性高且廉价易得的电催化剂，从而代替传统的贵金属催化剂。

双金属氢氧化物目前认为是甲醇氧化电催化剂最具有竞争力的候选材料之一。其中，NiMn双金属氢氧化物(NiMn LDH)也表现出一定的电催化活性。但是，由于NiMn LDH导电性差、传质速率慢使其活性不能满足商业需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化碳改性的甲醇电催化剂及其制备方法，为富含氧空位氮化碳改性的NiMn双金属氧化物纳米材料，以含氮化合物为氮源，碳材料为载体，首先制得氮化碳材料，然后通过水热反应将NiMn双金属氢氧化物沉积在氮化碳材料上，制得氮化碳改性的甲醇电催化剂。该催化剂中由于氮化碳对羟基强的吸附作用使NiMn双金属氢氧化物产生氧空位，并且氧空位的含量达到40％；制备方法简单、产品形貌均匀。

本发明还有一个目的在于提供一种氮化碳改性的甲醇电催化剂的应用，在甲醇燃料电池方面的应用。

本发明具体技术方案如下：

一种氮化碳改性的甲醇电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

A、将碳材料和含氮化合物分散在水中并搅拌均匀，冷冻干燥后，所得的混合物进行煅烧，即为氮化碳/碳材料；

B、将氮化碳/碳材料分散在混合溶剂中，形成分散均匀的分散液；

C、在搅拌的状态下，将镍锰混合溶液逐滴滴加到步骤B制备的分散液中，然后加入尿素，水热反应，即得氮化碳改性的NiMn双金属氢氧化物/碳纳米复合材料。

步骤A中，所述水为去离子水；

步骤A中的，冷冻干燥的条件为：在-40℃～-80℃、真空度为0.1-30Pa条件下干燥12-48h；

步骤A中冷冻干燥使碳材料和含氮化学物能充分的混合均匀，使含氮化合物不发生挥发；

步骤A中所述碳材料包括碳黑、石墨烯或碳纳米管中一种或几种；所述含氮化学物为尿素、双氰胺或三聚氰胺中一种或几种；

步骤A中所述碳材料和含氮化合物的质量比在2：1-1：3之间；

步骤A中所述碳材料和水的用量比为0.2-5mg/ml；

步骤A中所述煅烧温度范围在400℃-700℃间，煅烧0.5h-2h。

步骤B中所述混合溶剂是指水和醇的混合溶剂；

步骤B中的水和醇的混合溶剂有助于氮化碳/碳复合材料的分散；

步骤B中通过超声0.5-2h，形成分散均匀的分散液；

步骤B中所述水和醇的混合溶剂中，醇与水的体积比为1：0.1–1：10；

步骤B中所述醇选自乙二醇、乙醇和甲醇任意一种或几种的组合。