CN107039660A - Fe‑NPS共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为ORR催化剂的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及Fe‑NPS共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为ORR催化剂的应用,本发明采用溶剂热法制备出80nm Fe3O4磁性微球,并直接以此为模板制备Fe3O4@PZS核壳微球,经碳化、酸化得到Fe‑NPS共掺杂的多孔碳微球。本发明中Fe3O4既为反应的模板也为Fe源,无需额外的Fe掺杂源,制备的碳微球粒径均匀,具有多孔特性,同时掺杂了Fe、N、P和S多种元素,具有良好的ORR催化活性。
Description
技术领域
本发明涉及纳米碳材料领域和电化学催化领域,具体涉及Fe-NPS共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为ORR催化剂的应用。
背景技术
近年来,燃料电池因其高效、环保等优点有望成为下一代能量转换装置,但是燃料电池中高性能阴极ORR催化剂的发展是其实现应用的最主要的挑战。尽管铂基纳米粒子被认为是最好的催化剂,但其昂贵的价格、较低的储存量阻碍了燃料电池的广泛应用。为了克服这一障碍,人们研究了一些非贵金属ORR催化剂,例如过渡金属和氮掺杂的碳材料、金属氧化物/碳复合材料和杂原子掺杂碳材料。尤其是由铁、氮和碳(Fe-N/C)组成的催化剂是最主要的非贵金属催化剂。
多孔碳材料不仅具有碳材料化学稳定高、导电性好等优点,由于多孔结构的引入,还具有比表面积高、孔道结构丰富、孔径可调等特点,在催化、吸附和电化学储能等方面都得到了广泛的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单的合成方法制备Fe-NPS共掺杂的多孔碳微球,并将其用作ORR催化剂。
为了实现上述目的,本发明采取以下技术方案:
1.Fe-NPS共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为ORR催化剂的应用,其特征在于,包括以下步骤:
①在单口瓶内加入六氯环三磷腈和对羟基二苯砜两种单体,加入乙腈作为溶剂,超声10min使其完全溶解;
②向步骤①得到的溶液中加入由溶剂热法制备的直径为80nm的Fe3O4,超声10min使其均匀分散,用橡皮塞将单口瓶封口,用注射器迅速注入三乙胺作为缚酸剂,10s形成白色乳液,然后50Hz超声,继续反应3小时,然后8000rpm离心10min收集粒子,分别用丙酮、乙醇和去离子水洗涤2次,最终的产物在真空烘箱中40℃干燥;
③将步骤②得到的产物在管式炉中氮气氛围下碳化处理1h,将碳化后的样品用0.5mol/L H2SO4处理12h,然后8000rpm离心10min收集,用乙醇洗涤2次,最终的产物在真空烘箱中40℃干燥;
④取5.0mg步骤③得到的样品,加入1mL乙醇和100μL质量分数为10%的Nafion溶液,超声30min,使其分散均匀,得到催化剂溶液,用电化学工作站测试其ORR催化活性,电解质为O2饱和的0.1M KOH,扫描速率10mV s-1,旋转速度为1600rpm。
2.如权利要求1所述的Fe-NPS共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为ORR催化剂的应用,其特征在于,所述步骤①中六氯环三磷腈和对羟基二苯砜的摩尔比为1:1~10,六氯环三磷腈的浓度为0.2~0.6mg/mL。
3.如权利要求1所述的Fe-NPS共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为ORR催化剂的应用,其特征在于,所述步骤②中Fe3O4与单体的质量比为1:1~7,三乙胺的浓度为0.005~0.015mL/mL。
4.如权利要求1所述的Fe-NPS共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为ORR催化剂的应用,其特征在于,所述步骤③中碳化温度为700~1000℃。
与现有技术相比,本发明的优点是:
本发明采用Fe3O4为反应模板,同时也为Fe源,无需额外的Fe掺杂源,制备的碳微球粒径均匀,具有多孔特性,同时掺杂了Fe、N、P和S多种元素,具有良好的ORR催化活性。
附图说明
图1是实施实例1中制备的Fe3O4@PZS核壳微球的TEM图。
图2是实施实例1中制备的多孔碳微球的TEM图。
图3是实施实例1中制备的多孔碳微球的ORR活性曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施实例对本发明作进一步说明,但本发明的保护范围不限于此。
实施实例1
多原子掺杂的多孔碳微球的制备及其作为ORR催化剂的应用,包括以下步骤:
①在单口瓶内加入六氯环三磷腈和对羟基二苯砜两种单体,加入乙腈作为溶剂,超声10min使其完全溶解,其中六氯环三磷腈和对羟基二苯砜的摩尔比为1:7,六氯环三磷腈的浓度为0.4mg/mL;
②向步骤①得到的溶液中加入由溶剂热法制备的直径为80nm的Fe3O4,超声10min使其均匀分散,用橡皮塞将单口瓶封口,用注射器迅速注入三乙胺作为缚酸剂,10s形成白色乳液,然后50Hz超声,继续反应3小时,然后8000rpm离心10min收集粒子,分别用丙酮、乙醇和去离子水洗涤2次,最终的产物在真空烘箱中40℃干燥,其中Fe3O4与单体的质量比为1:1,三乙胺的浓度为0.01mL/mL;
③将步骤②得到的产物在管式炉中氮气氛围下碳化处理1h,将碳化后的样品用0.5mol/L H2SO4处理12h,然后8000rpm离心10min收集,用乙醇洗涤2次,最终的产物在真空烘箱中40℃干燥,其中碳化温度为800℃;
④取5.0mg步骤③得到的样品,加入1mL乙醇和100μL质量分数为10%的Nafion溶液,超声30min,使其分散均匀,得到催化剂溶液,用电化学工作站测试其ORR催化活性,电解质为O2饱和的0.1M KOH,扫描速率10mV s-1,旋转速度为1600rpm。
Claims (4)
1.Fe-NPS共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为ORR催化剂的应用,其特征在于,包括以下步骤:
①在单口瓶内加入六氯环三磷腈和对羟基二苯砜两种单体,加入乙腈作为溶剂,超声10min使其完全溶解;
②向步骤①得到的溶液中加入由溶剂热法制备的直径为80nm的Fe3O4,超声10min使其均匀分散,用橡皮塞将单口瓶封口,用注射器迅速注入三乙胺作为缚酸剂,10s形成白色乳液,然后50Hz超声,继续反应3小时,然后8000rpm离心10min收集粒子,分别用丙酮、乙醇和去离子水洗涤2次,最终的产物在真空烘箱中40℃干燥;
③将步骤②得到的产物在管式炉中氮气氛围下碳化处理1h,将碳化后的样品用0.5mol/L H2SO4处理12h,然后8000rpm离心10min收集,用乙醇洗涤2次,最终的产物在真空烘箱中40℃干燥;
④取5.0mg步骤③得到的样品,加入1mL乙醇和100μL质量分数为10%的Nafion溶液,超声30min,使其分散均匀,得到催化剂溶液,用电化学工作站测试其ORR催化活性,电解质为O2饱和的0.1M KOH,扫描速率10mV s-1,旋转速度为1600rpm。
2.如权利要求1所述的Fe-NPS共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为ORR催化剂的应用,其特征在于,所述步骤①中六氯环三磷腈和对羟基二苯砜的摩尔比为1:1~10,六氯环三磷腈的浓度为0.2~0.6mg/mL。
3.如权利要求1所述的Fe-NPS共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为ORR催化剂的应用,其特征在于,所述步骤②中Fe3O4与单体的质量比为1:1~7,三乙胺的浓度为0.005~0.015mL/mL。
4.如权利要求1所述的Fe-NPS共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为ORR催化剂的应用,其特征在于,所述步骤③中碳化温度为700~1000℃。
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