專利名稱：生物質(zhì)非貴金屬材料及其制備和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新型材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種生物質(zhì)非貴金屬材料的制備，尤其涉及一種用魚肉制備的生物質(zhì)非貴金屬材料的制備；本發(fā)明同時還涉及該生物質(zhì)非貴金屬材料作為氧還原催化劑在燃料電池中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
燃料電池作為一種環(huán)境友好的能源利用技術(shù),在電動汽車動力電源、移動電源、微型電源及小型發(fā)電裝置等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。燃料電池的陰極氧還原反應(yīng)是影響燃料電池電催化反應(yīng)的關(guān)鍵因素，而燃料電池氧還原催化劑是燃料電池電催化研究的重點(diǎn)。碳載鉬及鉬合金催化劑是人們公認(rèn)的性能最好、使用最廣泛的低溫燃料電池氧還原催化劑。但鉬釕等貴金屬價格昂貴、資源緊缺制約低溫燃料電池商業(yè)化進(jìn)程。開發(fā)廉價、高效的非貴金屬及非金屬氧還原催化劑材料已成為低溫燃料電池發(fā)展的熱點(diǎn)之一。自從發(fā)現(xiàn)氮摻雜碳具有良好的氧還原催化活性后，碳基非金屬催化劑以及鐵基非貴金屬催化劑以其廉價易得、性能好，逐漸被人們認(rèn)可。但想大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，有許多技術(shù)瓶頸還待解決。其中重要的瓶頸之一是:該類催化劑合成技術(shù)復(fù)雜，氮源不易獲得且含氮量低，在一定程度上制約了該類催化劑的發(fā)展。開發(fā)工藝簡單、含氮量高的碳基非金屬及非貴金屬催化劑材料成為低溫燃料電池發(fā)展的迫切任務(wù)。魚肉是天然的高含氮量低脂肪生物質(zhì)材料，且資源廣泛，價格低廉。因此，以魚肉作為碳源和氮源，開發(fā)高含氮量非貴金屬材料，在制備燃料電池中具有很好的應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供一種以魚肉作 為碳源和氮源的生物質(zhì)非貴金屬材料的制備方法。本發(fā)明的另一目的是提供該生物質(zhì)非貴金屬材料作為氧還原催化劑在燃料電池中的應(yīng)用。(一)生物質(zhì)非貴金屬材料的制備
本發(fā)明生物質(zhì)非貴金屬材料的制備方法，是將去皮、去骨的魚肉蒸熟后干燥，與FeCl3溶液混合，然后置于球磨機(jī)中球磨6 8 h至粉碎并混合均勻，干燥后置于管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于60(Tl00(rC下石墨化處理2飛h，得非貴金屬催化劑材料。所述FeCl3溶液的濃度為0.5^3 mol/L ;魚肉與FeCl3溶液的質(zhì)量體積比為1:2 1:10 g/mL。所述干燥是在鼓風(fēng)烘箱中，于5(Γ90 1:下進(jìn)行。下面對本發(fā)明制備的生物質(zhì)非貴金屬材料進(jìn)行物理表征和性能測試。1、X-射線衍射
圖1為本發(fā)明制備的非貴金屬催化劑與商業(yè)XC-72碳粉的X-射線衍射圖。從圖1中可以看出，新型非貴金屬催化劑分別在44°、66°、79°等位置出現(xiàn)了衍射峰，表明制備的非貴金屬材料中有鐵、氮等元素。2、拉曼對比譜圖
圖2為上述制備的生物質(zhì)非貴金屬催化劑與商業(yè)XC-72碳粉的拉曼對比譜圖。從圖2中可以看出，在1304 CnT1和1595 cnT1分別出現(xiàn)了碳材料的特征峰,說明該材料是以石墨化狀態(tài)存在的。3、催化氧還原性能
圖3為本發(fā)明制備的非貴金屬催化劑與商業(yè)XC-72碳粉的催化氧還原反應(yīng)的極化曲線圖。從圖3中可以直觀看出，與商業(yè)XC-72碳粉相比，在本發(fā)明生物質(zhì)非貴金屬催化劑電極上，氧還原反應(yīng)起始電位和半波電位分別正移了 159 mV和84 mV,說明該材料比傳統(tǒng)商業(yè)XC-72碳粉表現(xiàn)出更好的氧還原性能。綜上所述，本發(fā)明利用利用魚肉中豐富的氮源，與Fe結(jié)合后進(jìn)行石墨化處理，得到的生物質(zhì)非貴金屬材料氮含量較高，可作為催化劑應(yīng)用于燃料電池的氧還原催化反應(yīng)，提高C對ORR的催化作用。實(shí)驗(yàn)測定，以該材制備的燃料電池的陰極電極比傳統(tǒng)商業(yè)XC-72碳粉電極表現(xiàn)出更好的氧還原性能，氧還原催化活性明顯提高。


圖1為本發(fā)明非貴金屬催化劑和商業(yè)XC-72碳粉的X-射線衍射 圖2為本發(fā)明非貴金屬催化劑和商業(yè)XC-72碳粉的拉曼對比 圖3為本發(fā)明非貴金屬催化劑和商業(yè)XC-72碳粉的催化氧還原反應(yīng)極化曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明非貴金屬催化劑的制備及電化學(xué)性能做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1
將新鮮的魚洗凈、蒸熟；冷卻后，除去魚皮和魚骨，置于鼓風(fēng)烘箱中于70°C干燥；稱取2g加入到5mL 3 mol/L的FeCl3溶液,放入球磨機(jī)中球磨6 h至粉碎并混合均勻，置于鼓風(fēng)烘箱中于70°C干燥；然后置于管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于600°C下煅燒2 h使其石墨化，得生物質(zhì)非貴金屬材料。通過氧還原測試發(fā)現(xiàn)，在該生物質(zhì)非貴金屬催化劑電極上，氧還原反應(yīng)的起始電位和半波電位分別正移了 116 mV和67 mV。實(shí)施例2
將新鮮的魚洗凈、蒸熟；冷卻后，除去魚皮和魚骨，置于鼓風(fēng)烘箱中于70°C干燥；稱取2g加入6 mL 3 mol/L的FeCl3溶液,放入球磨機(jī)中球磨6 h至粉碎并混合均勻，置于鼓風(fēng)烘箱中于70°C干燥；然后然后置于管式爐中在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于700°C下煅燒2 h使其石墨化，得生物質(zhì)非貴金屬材料。通過氧還原測試發(fā)現(xiàn)，在新型非貴金屬催化劑電極上，氧還原反應(yīng)的起始電位和半波電位分別正移了 127 mV和71 mV。實(shí)施例3
將新鮮的魚洗凈、蒸熟；冷卻后，除去魚皮和魚骨，置于鼓風(fēng)烘箱中于70°C干燥；稱取2g加入到7mL 3 mol/L的FeCl3溶液,放入球磨機(jī)中球磨6 h至粉碎并混合均勻，置于鼓風(fēng)烘箱中于70°C干燥；然后置于管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于800°C下煅燒2 h使其石墨化，得生物質(zhì)非貴金屬材料。通過氧還原測試發(fā)現(xiàn)，在新型非貴金屬催化劑電極上，氧還原反應(yīng)的起始電位和半波電位分別正移了 106 mV和59 mV。實(shí)施例4
將新鮮的魚洗凈、蒸熟；冷卻后，除去魚皮和魚骨，置于鼓風(fēng)烘箱中于70°C干燥；稱取2g加入8 mL 3 mol/L的FeCl3溶液,放入球磨機(jī)中球磨6 h至粉碎并混合均勻,置于鼓風(fēng)烘箱中于70°C干燥；然后然后置于管式爐中在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于900°C下煅燒2 h使其石墨化，得生物質(zhì)非貴金屬材料。通過氧還原測試發(fā)現(xiàn)，在新型非貴金屬催化劑電極上，氧還原反應(yīng)的起始電位和半波電位分別正移了 131 mV和78 mV。實(shí)施例5
將新鮮的魚洗凈、蒸熟；冷卻后，除去魚皮和魚骨，置于鼓風(fēng)烘箱中于70°C干燥；稱取2g加入8 mL 3 mol/L的FeCl3溶液,放入球磨機(jī)中球磨6 h至粉碎并混合均勻，置于鼓風(fēng)烘箱中于70°C干燥；然后然后置于管式爐中在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于1000°C下煅燒2 h使其石墨化，得生物質(zhì)非貴金屬材料。通過氧還原測試發(fā)現(xiàn)，在新型非貴金屬催化劑電極上，氧還原反應(yīng)的起始電位和半波電位分別正移了 128 mV和73 mV。

上述各實(shí)施例中的新鮮魚最好采用淡水魚。
權(quán)利要求
1.生物質(zhì)非貴金屬材料的制備方法，是將去皮、去骨的魚肉蒸熟后干燥，再與FeCl3溶液混合，置于球磨機(jī)中球磨6 8 h至粉碎并混合均勻，干燥后置于管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于600 1000°C下石墨化處理2 6 h，得非貴金屬催化劑材料。
2.如權(quán)利要求I所述生物質(zhì)非貴金屬材料的制備方法，其特征在于所述FeCl3溶液的濃度為O. 5 3 mol/Lo
3.如權(quán)利要求I所述生物質(zhì)非貴金屬材料的制備方法，其特征在于所述魚肉與FeCl3溶液以1:2 1:10g/mL的質(zhì)量體積比混合。
4.如權(quán)利要求I所述生物質(zhì)非貴金屬材料的制備方法，其特征在于所述干燥是在鼓風(fēng)烘箱中，于50 90 1下進(jìn)行。
5.如權(quán)利要求I所述方法制備生物質(zhì)非貴金屬材料作為氧還原催化劑在燃料電池中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明提供了本發(fā)明生物質(zhì)非貴金屬材料的制備方法，是將去皮、去骨的魚肉蒸熟后干燥，與FeCl3溶液混合，然后置于球磨機(jī)中球磨6～8h至粉碎并混合均勻，干燥后置于管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于600～1000℃下石墨化處理2～6h，得非貴金屬催化劑材料。該材料中氮含量較高，可作為催化劑應(yīng)用于燃料電池的氧還原催化反應(yīng)，可提高C對ORR的催化作用。實(shí)驗(yàn)測定，以該材制備的燃料電池的陰極電極比傳統(tǒng)商業(yè)XC-72碳粉電極表現(xiàn)出更好的氧還原性能，氧還原催化活性明顯提高。該材料制備工藝簡單，環(huán)境友好，是一種有潛在用途的非貴金屬氧還原催化劑。
文檔編號H01M4/90GK103252249SQ20131014757
公開日2013年8月21日 申請日期2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月25日
發(fā)明者王榮方, 馬妍姣, 王輝, 馮漢青, 季山 申請人:西北師范大學(xué)