[发明专利]一种二氧化硅修饰的多球腔碳材料的制法及其在燃料电池膜电极中的应用

摘要

本发明公开了一种二氧化硅修饰的多球腔碳材料的制法及其在燃料电池膜电极中的应用。该方法以二氧化硅小球为模板，将苯胺在该小球周围聚合，依次经过碳化、刻蚀二氧化硅小球后得到掺氮、二氧化硅修饰的多球腔碳材料。多球腔碳材料的球形腔体的尺寸可控，同时具有一定的氧还原电化学活性，因此可用作与电催化相关的材料。此外，修饰二氧化硅能让多球腔碳材料具有自增湿的性能。本发明以二氧化硅‑多球腔碳材料作为载体负载Pt制备的催化剂，电催化性能高、在低湿度下性能和稳定性好、使用寿命长，是燃料电池阳极催化剂的理想选择，由此表明本发明的二氧化硅‑多球腔碳材料可作为燃料电池阳极催化剂的载体材料和膜电极自增湿相关的材料。

主权项

1.一种二氧化硅修饰的多球腔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：(1) 将L‑精氨酸、环己烷、水按摩尔比1 :（50 ~ 150）:（5000 ~ 15000）混合，在40℃ ~ 80℃搅拌条件下充分溶解，得到混合液A；(2) 在40℃~80℃搅拌条件下，将正硅酸乙酯以1 ~ 2滴/秒的速度加入步骤(1)所得混合液A中，其中正硅酸乙酯与步骤(1)中所用L‑精氨酸的摩尔比为（20 ~ 80）：1，继续搅拌12 ~ 24 h，得到二氧化硅小球母液B；(3) 在40℃ ~ 80℃搅拌条件下，将步骤(2)所得二氧化硅小球母液B与环己烷、正硅酸乙酯和水按质量比为1 :（0.1 ~ 0.8）: （0.08 ~ 0.4）:（ 1 ~ 5）配成生长液，继续搅拌15 ~ 30 h，得到二氧化硅溶胶C；(4) 在40℃ ~ 80℃搅拌条件下，往步骤(3)中所得二氧化硅溶胶C中，加入聚乙烯吡咯烷酮，其中聚乙烯吡咯烷酮与二氧化硅溶胶C的质量比为1 : （60 ~ 120），得到混合液D;(5) 将步骤(4)所得混合液D的pH值用浓盐酸调至0 ~ 0.3，持续搅拌下按质量比混合液D : 苯胺为（15 ~ 30） : 1往混合液D中加入苯胺，接着滴入过硫酸铵质量分数为20 wt% ~ 30 wt%、pH为0 ~ 0.3的水溶液E，其中水溶液E与苯胺的质量比为（10 ~ 20） : 1，然后在0~15℃ 下保持300‑1200转/分钟的搅拌速率搅拌12 ~ 48 h，随后蒸干，即可得到二氧化硅/聚苯胺复合物;(6) 将步骤(5)得到的二氧化硅/聚苯胺复合物在氮气氛围下，以2 ~ 15℃/min的升温速率升温至600℃~ 1000℃，保持1 ~ 3 h，冷却至室温，得到C‑N/二氧化硅复合物；(7) 将步骤(6)得到的C‑N/二氧化硅复合物与NaOH溶液混合，在50 ~ 120℃下刻蚀处理0~4 h，冷却后经过过滤、洗涤和干燥，得到二氧化硅修饰的多球腔碳材料，标记为SiO2‑MSCC材料。