[发明专利]利用动物骨头制备多孔材料的方法及作为燃料电池电极催化剂的应用

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种利用动物骨头制备多孔材料的方法；本发明还涉及该多孔材料作为燃料电池电极催化剂的应用。 

背景技术

燃料电池是一种工作效率高，对环境友好，应答速度快的新型发电装置，它可以直接将化学能转化为电能，因此成为二十一世纪的主要能源。除此之外，燃料电池还具有独到的优势：常温使用、燃料携带补给方便、体积和重量比能量密度高、红外信号弱等，尤其适合作为小型可移动及便携式电源，在国防、能源、环保、通讯等领域有着极佳的潜在应用前景。

电极催化剂是燃料电池重要的组成部分，直接影响燃料电池的性能、效率、稳定性及使用寿命。Pt催化剂是比较成熟的商业催化剂，在燃料电池催化有很多应用，尤其是对甲醇催化氧化具有较高的活性，并且在酸性环境当中有较佳的稳定性。然而，Pt是价格昂贵的稀有贵金属，催化剂的成本占低温燃料电池成本的30%～45%。因此，研制低成本高性能的燃料电池催化剂成为研究燃料电池的热点。 

多孔材料，是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。典型的孔结构有一种是由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构，由于其形状类似于蜂房的六边形结构而被称为“蜂窝”材料。更为普遍的是由大量多面体形状的孔洞在空间聚集形成的三维结构，通常称之为“泡沫”材料。多孔材料具有独特的光学性能，因此在制出燃料电池的多孔电极中具有很好的应用前景。

我国是世界肉食第一大国，每年产生的动物骨头就有1500多万吨。目前对于这些动物骨头的处理，主要是作为废物丢弃，不仅给环境代理污染，而且造成起源的浪费。因此，对于这些动物骨头的资源化利用具有十分重要的意义。动物骨头（即骨组织）由活细胞和矿物质（主要是钙和鳞）混合构成，主要是羟基磷酸钙（Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂），正是这些矿物质使骨头具有坚实的物性，使羟基磷酸钙在煅烧的过程中不容易分解，煅烧过程中产生的气体渗透其中使其出现孔状结构，因此，利用动物骨头制备多孔材料，不仅可以降低多孔材料的成本，而且还可以实现动物骨头的资源化利用。 

发明内容

本发明的第一目的是提供一种利用动物骨头制备多孔材料的方法；

本发明的另一目的是提供该多孔材料作为燃料电池电极催化剂的应用。

本发明多孔材料的制备方法，是将动物骨肉除去表层的杂物质后捣碎，置于管式炉中，在氮气保护下，于500～1000 ℃下高温处理1～3 h，再在球磨机中球磨6～10 h；然后酸处理12～72 h；用蒸馏水洗成中性，烘干即得。

所述动物骨头为猪骨头 、牛骨头 、鱼骨头、羊骨头。

所述酸处理是先用1～5 mol/L的HNO₃处理12～72 h，再用1～5 mol/L的HCl处理12～72 h；

所述烘干是在鼓风烘箱中，于50～70 ℃下进行。

下面对本发明制备的多孔材料进行物理表征和性能测试。

1、X-射线衍射

图1为本发明制备的多孔材料的X-射线衍射图。从图1中可以看出，直接碳化后出现了许多峰，其中“◆”所对应的峰为羟基磷酸钙的峰。

2、扫描电镜（SEM）图

图2为本发明制备的多孔材料的扫描电镜（SEM）图。从图2中可以看出，本发明制备的材料呈孔结构。

 3、氮气吸脱附曲线及孔径分布图

图3为本发明制备的多孔材料的氮气洗脱附曲线及孔径分布图（BET）图，从图上可以看出该材料的孔经为3.18 nm左右，可见该材料为介孔材料，另外，其比表面积为294.074 m²g^-1。

4、ORR测试

图3为本发明制备的多孔材料在0.1 mol/L的KOH溶液中的ORR测试。从图3中可以看出，本发明制备的多孔材料与传统的XC-72相比，有较好的ORR性能，其起始电位提前了111.7 mV。