專利名稱：含有Fe–N/C的H₂O₂基燃料電池陰極材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種燃料電池陰極材料的制備方法。具體地說是一種以過氧化氫 (H2O2)為氧化劑的堿性燃料電池領(lǐng)域的一種含有i^e-N/C的燃料電池陰極材料的制備方法。
背景技術(shù)：
H2O2的電還原反應(yīng)可以在酸性介質(zhì)或堿性介質(zhì)中進(jìn)行。在堿性介質(zhì)條件下，H2A 作為氧化劑廣泛應(yīng)用與金屬半燃料電池、硼氫化鈉燃料電池等領(lǐng)域。H2A是強的氧化劑，可 以提高電池的電壓；H2O2是液體，攜帶方便，因此以H2O2作為陰極氧化劑的燃料電池，具有結(jié) 構(gòu)簡單、不依賴空氣環(huán)境的突出優(yōu)點，可廣泛用作水下以及太空等缺氧環(huán)境中的電源。但是 H2O2直接電還原存在兩個主要的問題，一是H2A電還原活性不高，二是H2A容易分解釋放出 氧氣，這大大降低了電池的性能。H2A電還原反應(yīng)同常按兩條途徑進(jìn)行，即直接電還原和間 接電還原。直接電還原反應(yīng)如⑴式所示；間接電還原由(2)和(3)式所示，即H2O2首先分 解為氧氣，氧氣再進(jìn)一步電還原。H02>H20+2e — 20Hads>0r (1)2H202 — 2H20+02(2)02+2H20+4e — 40F(3)在燃料電池陰極的H2A電還原反應(yīng)通常是直接和間接途徑并存，但直接途徑是理 想途徑。H2A電還原速率直接影響到燃料電池的效率，因而迫切需要開發(fā)高效、廉價和能夠 催化H2O2直接電還原的催化劑。目前有關(guān)H2A電還原催化劑的研究主要集中在貴金屬如 鈀、銥、金、銀及其合金上，貴金屬催化劑不但價格昂貴，增加了電池的成本，而且還催化過 氧化氫的分解，降低了 H2A的利用率?？蓞㈤哬ang W Q，Yang S H，Sun W，Sun G Q，Xin Q.Nanostructuredsilver catalyzed nickel foam cathode for an aluminum-hydrogen peroxide fuel cell. Journal of Power Sources，2006，160 :1420-1424，以及George H. M, Nie L,Joseph M,Rodney B,Glenn H,Lifeng G,Ethan B,Richard G,Prajakti J S.David Carroll. DirectNaBH4/H202fuel cells. Journal of Power Sources，2007，165 :509_516o

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種原料儲量極其豐富易得，價格低廉，而且催化性能穩(wěn) 定的含有i^e-N/C的H2A基燃料電池陰極材料的制備方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的將三氯化鐵與硝基苯胺以1 4的摩爾比混均，然后按!^e與C的質(zhì)量比為 0. 1-0. 3%加入活性炭混均；將混合物在氮氣保護(hù)氛圍中在150-170°C加熱，至硝基苯胺融 化；將溫度升高到200°C，恒溫至無氣體逸出，再將溫度升至300°C恒溫聚合0. 5-lh，冷卻至 室溫；在氮氣保護(hù)下升溫至800-1000°C，以3 1的比例通入氮氣與氨氣的混合氣恒溫?zé)?解0. 5-1. 0h，得到i^e-N/C燃料電池陰極材料。本發(fā)明提供了一種以i^e-N/C作為堿性條件下過氧化氫直接電還原的陰極材料的制備方法，克服了貴金屬電極價格高，催化活性差以及分解過氧化氫等缺點，解決了金屬半 燃料電池和硼氫化鈉燃料電池陰極活性差的問題。本發(fā)明的以含有狗-N/C作為H2A電還原陰極材料，按⑴式直接還原成氫氧根， 再和其它陽極(如鋁合金、硼氫化鈉等)組成堿性燃料電池。本發(fā)明的實質(zhì)是采用金屬- 半燃料電池和硼氫化鈉- 燃料電池等的電池結(jié) 構(gòu)，以i^e-N/C取代鈀、金、銀等貴金屬催化劑，構(gòu)成燃料電池的陰極。本發(fā)明的優(yōu)點在于利用i^e-N/C作為H2A直接電還原的催化劑，不但Fe、N禾Π C的 儲量極其豐富易得，價格低廉，而且催化性能又很穩(wěn)定。
具體實施例方式下面舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述將三氯化鐵(無水)與硝基苯胺以1 4的摩爾比混均，然后按狗與C的質(zhì)量比 為0.2%加入活性炭混均。將混合物在氮氣保護(hù)氛圍中在160°C加熱，至硝基苯胺融化。將 溫度升高到200°C，恒溫至無氣體逸出，再將溫度升至300°C恒溫聚合0. 5-lh，冷卻至室溫。 將上述聚合物在氮氣保護(hù)下升溫至800-1000°C，以3 1的比例通入氮氣與氨氣的混合氣 恒溫?zé)峤?. 5-1. Oh,即合成了狗-N/C燃料電池陰極催化劑。為了更好地說明本發(fā)明的效果，下面以具體實例加以說明。1、利用i^e-N/C作為H2A直接電還原的催化劑、聚四氟乙烯作為粘結(jié)劑、泡沫鎳作 為基體制備電池的陰極；以3mol/L的KOH作為電解液，Nafin-115質(zhì)子交換摸作為隔膜， 鋁作為電池的陽極；當(dāng)H2A濃度為0. 6mol · L—^KOH濃度為3mol · Γ1時電池的開路電壓為 1. 3V，最大功率密度為80. 4mff · cm_2。2、利用i^e-N/C作為H2A直接電還原的催化劑、聚四氟乙烯作為粘結(jié)劑、泡沫鎳作 為基體制備電池的陰極，以3mol/L的KOH作為陰極電解液；Nafin-115質(zhì)子交換摸作為隔 膜；以泡沫鎳上負(fù)載的納米Pt為陽極，以3mol/L的KOH為陽極電解質(zhì)溶液，lmol/L的硼氫 化鈉為燃料；當(dāng)H2O2濃度為0. 6mol · L—1、KOH濃度為3mol · L-1時電池的開路電壓為1. 2V, 最大功率密度為65. 4mff · cnT2。3、利用i^eCo-N/C作為H2A直接電還原的催化劑、聚四氟乙烯作為粘結(jié)劑、泡沫鎳 作為基體制備電池的陰極；以3mol/L的KOH作為電解液，Nafin-115質(zhì)子交換摸作為隔膜， 鋁作為電池的陽極；當(dāng)H2A濃度為0. 6mol · L—^KOH濃度為3mol · Γ1時電池的開路電壓為 1. 3V，最大功率密度為85. 4mff · cm_2。4、利用i^eCo-N/C作為H2A直接電還原的催化劑、聚四氟乙烯作為粘結(jié)劑、泡沫鎳 作為基體制備電池的陰極，以3mol/L的KOH作為陰極電解液；Nafin-115質(zhì)子交換摸作為 隔膜；以泡沫鎳上負(fù)載的納米Pt為陽極，以3mol/L的KOH為陽極電解質(zhì)溶液，lmol/L的硼 氫化鈉為燃料；當(dāng)H2A濃度為0. 6mol 'L^KOH濃度為3mol -L"1時電池的開路電壓為1. 2V, 最大功率密度為70. 3mff · cm—2。5、利用i^Ni-N/C作為H2A直接電還原的催化劑、聚四氟乙烯作為粘結(jié)劑、泡沫鎳 作為基體制備電池的陰極；以3mol/L的KOH作為電解液，Nafin-115質(zhì)子交換摸作為隔膜， 鋁作為電池的陽極；當(dāng)H2A濃度為0. 6mol · LfKOH濃度為3mol · L1時電池的開路電壓為 1. 3V，最大功率密度為76. 4mff · cm_2。
6、利用i^Ni-N/C作為H2A直接電還原的催化劑、聚四氟乙烯作為粘結(jié)劑、泡沫鎳 作為基體制備電池的陰極，以3mol/L的KOH作為陰極電解液；Nafin-115質(zhì)子交換摸作為 隔膜；以泡沫鎳上負(fù)載的納米Pt為陽極，以3mol/L的KOH為陽極電解質(zhì)溶液，lmol/L的硼 氫化鈉為燃料；當(dāng)H2A濃度為0. 6mol 'L^KOH濃度為3mol -L"1時電池的開路電壓為1. 2V, 最大功率密度為66. 8mff · cnT2。
權(quán)利要求
1. 一種含有i^e-N/C的H2O2基燃料電池陰極材料的制備方法，其特征是將三氯化鐵與 硝基苯胺以1 4的摩爾比混均，然后按!^e與C的質(zhì)量比為0.1-0. 3%加入活性炭混均； 將混合物在氮氣保護(hù)氛圍中在150-170°C加熱，至硝基苯胺融化；將溫度升高到200°C，恒 溫至無氣體逸出，再將溫度升至300°C恒溫聚合0. 5-lh，冷卻至室溫；在氮氣保護(hù)下升溫至 800-1000°C，以3 1的比例通入氮氣與氨氣的混合氣恒溫?zé)峤?. 5-1. 0h，得到Fe-N/C燃 料電池陰極材料。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種含有Fe-N/C的H2O2基燃料電池陰極材料的制備方法。將三氯化鐵與硝基苯胺以1∶4的摩爾比混均，然后按Fe與C的質(zhì)量比為0.1-0.3％加入活性炭混均；將混合物在氮氣保護(hù)氛圍中在150-170℃加熱，至硝基苯胺融化；將溫度升高到200℃，恒溫至無氣體逸出，再將溫度升至300℃恒溫聚合0.5-1h，冷卻至室溫；在氮氣保護(hù)下升溫至800-1000℃，以3∶1的比例通入氮氣與氨氣的混合氣恒溫?zé)峤?.5-1.0h，得到Fe-N/C燃料電池陰極材料。本發(fā)明利用Fe-N/C作為H2O2直接電還原的催化劑，不但Fe、N和C的儲量極其豐富易得，價格低廉，而且催化性能又很穩(wěn)定。
文檔編號H01M4/88GK102082278SQ20111000135
公開日2011年6月1日 申請日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月6日
發(fā)明者常莎, 曹殿學(xué), 湯勝, 王貴領(lǐng), 田永梅, 莫英華 申請人:哈爾濱工程大學(xué)