本發(fā)明涉及燃料電池電極領(lǐng)域，尤其是一種利用秸稈制備質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散電極的方法。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池具有效率高、低污染等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是理想的能源轉(zhuǎn)換方式之一。近幾十年來，質(zhì)子交換膜燃料電池受到政府、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注，得到了極大的發(fā)展，但質(zhì)子交換膜燃料電池主要以貴金屬鉑及鉑基合金作為催化劑，鉑高昂的價(jià)格極大地限制了質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化，非鉑催化劑以及含有非鉑催化劑的氣體擴(kuò)散電極的研究正在興起。
近年來的研究發(fā)現(xiàn)，含有鐵(Fe)、氮(N)、碳(C)三種元素的催化劑顯示出了可與鉑催化劑相媲美的氧還原反應(yīng)(ORR)活性，制成非鉑催化劑以及含有非鉑催化劑的氣體擴(kuò)散電極后有望取代鉑應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池陰極氣體擴(kuò)散電極。
我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生大量的秸稈，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，農(nóng)村越來越少地使用秸稈作為生活燃料，而選擇就地焚燒堆肥的方式處理秸稈，這不僅帶來了極大的環(huán)境危害，也使得秸稈資源的價(jià)值沒有得到充分的利用。由于秸稈中含有豐富的C、N、H、O元素（約占秸稈總質(zhì)量的75%），這些元素組成的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等有機(jī)物纖維是秸稈的主要成分，因此將秸稈碳化后可適用于制備質(zhì)子交換膜燃料電池的非鉑氣體擴(kuò)散電極。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種制備成本低、方法簡單且可操作性強(qiáng)的利用秸稈制備質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散電極的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述的技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種利用秸稈制備質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散電極的方法,其過程為：以秸稈為原料，經(jīng)過鐵的前驅(qū)體溶液浸漬和晾干后，采用熱壓法在保護(hù)氣體氣氛下一次性原位合成含有Fe-N-C非鉑催化劑的氣體擴(kuò)散電極。
進(jìn)一步的，其具體包括以下步驟：
（1）將秸稈切割成長度為5～10cm、寬度為0.1～1cm的秸稈短條；
（2）將上述的秸稈短條制成秸稈網(wǎng)；
（3）將上述的秸稈網(wǎng)浸漬在鐵的前驅(qū)體溶液中，浸漬處理時(shí)間為10～90min；
（4）將處理完畢的秸稈網(wǎng)取出進(jìn)行晾干；
（5）取3～10層上述晾干后的秸稈網(wǎng)進(jìn)行疊加后置于熱壓機(jī)中，同時(shí)在熱壓機(jī)中通入保護(hù)氣體，使秸稈網(wǎng)在保護(hù)氣體氣氛下以1～5Mpa壓力、200～500℃的溫度下進(jìn)行熱壓15～120min，壓制完畢后即可得到含有Fe-N-C非鉑催化劑的氣體擴(kuò)散電極。
進(jìn)一步的，所述的秸稈包括小麥秸稈、水稻秸稈、玉米秸稈、甘蔗莖葉、棉花秸稈、油菜秸稈、甘薯藤、馬鈴薯藤中的一種或一種以上。
進(jìn)一步的，所述的鐵的前驅(qū)體溶液的濃度為0.01～5mol/L。
進(jìn)一步的，所述的鐵的前驅(qū)體溶液為硝酸鐵、氯化鐵、草酸鐵、二茂鐵甲醇、二茂鐵甲酸、硫化亞鐵、草酸高鐵銨、草酸亞鐵、乙基二茂鐵、乙酰丙酮鐵、硫酸高鐵銨、硫酸亞鐵銨、雙乙?；F、苯甲?；F、乙烯基二茂鐵、正丁基二茂鐵、三氟甲磺酸鐵、丁酰基二茂鐵中的一種或一種以上混合組成。
進(jìn)一步的，所述的保護(hù)氣體為氮?dú)狻鍤?、氦氣中的一種或一種以上混合組成。
進(jìn)一步的，所述的步驟（2）將秸稈短條制成秸稈網(wǎng)的方法為編織或壓制成型。
通過上述的技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果為：通過以秸稈為制備原料，將其浸漬于鐵的前驅(qū)體溶液后再進(jìn)行取出晾干，使鐵的前驅(qū)體溶液負(fù)載在秸稈表面，在保護(hù)氣體的氣氛下將負(fù)債有鐵的前驅(qū)體的秸稈進(jìn)行熱壓，使鐵的前驅(qū)體發(fā)生分解，鐵原子與秸稈表面緊密貼合，并在秸稈碳化過程中與碳、氮元素發(fā)生符合，形成Fe-N-C非鉑催化劑，由于熱壓過程中秸稈發(fā)生碳化并伴隨一氧化碳等氣體的生成與擴(kuò)散，最終秸稈形成多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，適于氣體氧化劑的擴(kuò)散流通。
附圖說明
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述：
圖1為本發(fā)明以秸稈制備質(zhì)子交換膜燃料電池非鉑催化劑氣體擴(kuò)散電極的制備流程示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明方法以秸稈為原料，經(jīng)過鐵的前驅(qū)體溶液浸漬和晾干后，采用熱壓法在保護(hù)氣體氣氛下一次性原位合成含有Fe-N-C非鉑催化劑的氣體擴(kuò)散電極。
進(jìn)一步的，其具體包括以下步驟：
（1）將秸稈切割成長度為5～10cm、寬度為0.1～1cm的秸稈短條；
（2）將上述的秸稈短條制成秸稈網(wǎng)；
（3）將上述的秸稈網(wǎng)浸漬在鐵的前驅(qū)體溶液中，浸漬處理時(shí)間為10～90min；
（4）將處理完畢的秸稈網(wǎng)取出進(jìn)行晾干；
（5）取3～10層上述晾干后的秸稈網(wǎng)進(jìn)行疊加后置于熱壓機(jī)中，同時(shí)在熱壓機(jī)中通入保護(hù)氣體，使秸稈網(wǎng)在保護(hù)氣體氣氛下以1～5Mpa壓力、200～500℃的溫度下進(jìn)行熱壓15～120min，壓制完畢后即可得到含有Fe-N-C非鉑催化劑的氣體擴(kuò)散電極。
進(jìn)一步的，所述的秸稈包括小麥秸稈、水稻秸稈、玉米秸稈、甘蔗莖葉、棉花秸稈、油菜秸稈、甘薯藤、馬鈴薯藤中的一種或一種以上。
進(jìn)一步的，所述的鐵的前驅(qū)體溶液的濃度為0.01～5mol/L。
進(jìn)一步的，所述的鐵的前驅(qū)體溶液為硝酸鐵、氯化鐵、草酸鐵、二茂鐵甲醇、二茂鐵甲酸、硫化亞鐵、草酸高鐵銨、草酸亞鐵、乙基二茂鐵、乙酰丙酮鐵、硫酸高鐵銨、硫酸亞鐵銨、雙乙酰基二茂鐵、苯甲?；F、乙烯基二茂鐵、正丁基二茂鐵、三氟甲磺酸鐵、丁酰基二茂鐵中的一種或一種以上混合組成。
進(jìn)一步的，所述的保護(hù)氣體為氮?dú)?、氬氣、氦氣中的一種或一種以上混合組成。
進(jìn)一步的，所述的步驟（2）將秸稈短條制成秸稈網(wǎng)的方法為編織或壓制成型。
實(shí)施例1
（1）將小麥秸稈切割成長度為10cm、寬度為1cm的小麥秸稈短條；
（2）將上述的小麥秸稈短條編織制成小麥秸稈網(wǎng)；
（3）將上述的小麥秸稈網(wǎng)浸漬在濃度為3mol/L的草酸高鐵銨溶液中，浸漬處理70min；
（4）將處理完的小麥秸稈網(wǎng)從草酸高鐵銨溶液中取出進(jìn)行晾干；
（5）取3層上述晾干后的小麥秸稈網(wǎng)進(jìn)行疊加后置于熱壓機(jī)中，同時(shí)在熱壓機(jī)中通入氮?dú)?，使小麥秸稈網(wǎng)在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣氛下以3Mpa壓力、300℃的溫度下進(jìn)行熱壓100min，壓制完畢后即可得到含有Fe-N-C非鉑催化劑的氣體擴(kuò)散電極。
實(shí)施例2
（1）將水稻秸稈切割成長度為8cm、寬度為0.5cm的水稻秸稈短條；
（2）將上述的水稻秸稈短條編織制成水稻秸稈網(wǎng)；
（3）將上述的水稻秸稈網(wǎng)浸漬在濃度為3mol/L的硝酸鐵溶液中，浸漬處理80min；
（4）將處理完的水稻秸稈網(wǎng)從草酸高鐵銨溶液中取出進(jìn)行晾干；
（5）取6層上述晾干后的水稻秸稈網(wǎng)進(jìn)行疊加后置于熱壓機(jī)中，同時(shí)在熱壓機(jī)中通入氦氣，使水稻秸稈網(wǎng)在氦氣的保護(hù)氣氛下以4Mpa壓力、400℃的溫度下進(jìn)行熱壓90min，壓制完畢后即可得到含有Fe-N-C非鉑催化劑的氣體擴(kuò)散電極。
實(shí)施例3
（1）將棉花秸稈切割成長度為5cm、寬度為0.1cm的棉花秸稈短條；
（2）將上述的玉米秸稈短條編織制成棉花秸稈網(wǎng)；
（3）將上述的棉花秸稈網(wǎng)浸漬在濃度為1mol/L的草酸高鐵銨溶液中，浸漬處理90min；
（4）將處理完的棉花秸稈網(wǎng)從草酸高鐵銨溶液中取出進(jìn)行晾干；
（5）取4層上述晾干后的棉花秸稈網(wǎng)進(jìn)行疊加后置于熱壓機(jī)中，同時(shí)在熱壓機(jī)中通入氬氣，使棉花秸稈網(wǎng)在氬氣的保護(hù)氣氛下以5Mpa壓力、460℃的溫度下進(jìn)行熱壓50min，壓制完畢后即可得到含有Fe-N-C非鉑催化劑的氣體擴(kuò)散電極。
實(shí)施例4
（1）將油菜秸稈切割成長度為6cm、寬度為0.6cm的油菜秸稈短條；
（2）將上述的小麥秸稈短條編織制成油菜秸稈網(wǎng)；
（3）將上述的油菜秸稈網(wǎng)浸漬在濃度為0.01mol/L的苯甲?；F溶液中，浸漬處理10min；
（4）將處理完的油菜秸稈網(wǎng)從苯甲?；F溶液中取出進(jìn)行晾干；
（5）取10層上述晾干后的油菜秸稈網(wǎng)進(jìn)行疊加后置于熱壓機(jī)中，同時(shí)在熱壓機(jī)中通入氮?dú)馀c氦氣體積比為1:1的混合氣體，使油菜秸稈網(wǎng)在氮?dú)夂秃獾谋Ｗo(hù)氣氛下以1Mpa壓力、200℃的溫度下進(jìn)行熱壓120min，壓制完畢后即可得到含有Fe-N-C非鉑催化劑的氣體擴(kuò)散電極。
實(shí)施例5
（1）將甘薯藤秸稈切割成長度為7cm、寬度為0.7cm的甘薯藤秸稈短條；
（2）將上述的甘薯藤秸稈短條壓制制成甘薯藤秸稈網(wǎng)；
（3）將上述的甘薯藤秸稈網(wǎng)浸漬在濃度為5mol/L的乙酰丙酮鐵溶液中，浸漬處理60min；
（4）將處理完的甘薯藤秸稈網(wǎng)從乙酰丙酮鐵溶液中取出進(jìn)行晾干；
（5）取7層上述晾干后的甘薯藤秸稈網(wǎng)進(jìn)行疊加后置于熱壓機(jī)中，同時(shí)在熱壓機(jī)中通入氬氣與氦氣體積比為1：1的混合氣體，使甘薯藤秸稈網(wǎng)在氬氣和氦氣的保護(hù)氣氛下以2Mpa壓力、500℃的溫度下進(jìn)行熱壓15min，壓制完畢后即可得到含有Fe-N-C非鉑催化劑的氣體擴(kuò)散電極。
實(shí)施例6
（1）將小麥秸稈和水稻秸稈切割成長度為10cm、寬度為1cm的小麥秸稈短條；
（2）將上述的小麥秸稈短條編織制成秸稈網(wǎng)；
（3）將上述的秸稈網(wǎng)浸漬在濃度為2mol/L的二茂鐵甲醇溶液中，浸漬處理30min；
（4）將處理完的秸稈網(wǎng)從二茂鐵甲醇溶液中取出進(jìn)行晾干；
（5）取8層上述晾干后的小麥秸稈網(wǎng)進(jìn)行疊加后置于熱壓機(jī)中，同時(shí)在熱壓機(jī)中通入氮?dú)猓剐←溄斩捑W(wǎng)在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣氛下以1.5Mpa壓力、480℃的溫度下進(jìn)行熱壓60min，壓制完畢后即可得到含有Fe-N-C非鉑催化劑的氣體擴(kuò)散電極。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化、修改、替換和變型，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。