液，之所以選擇鹽酸，是因為其在中和殘留的堿性活化劑的同時，因自身無氧化性而容易在后續(xù)過程中被去除，可以更好的保證純化效果。惰性氣體作為保護(hù)氣體，可以選擇常用惰性氣體，如氮氣、氬氣等，視生產(chǎn)需要而定。
[0036]在S02步驟中，采用氨氣作為氮原子來源，在溫度400-900°C下煅燒l_5h即可實現(xiàn)氮原子的摻雜。其中，溫度優(yōu)選為500°C，升溫速率優(yōu)選為3°C/min。在上述SOl和S02步驟的基礎(chǔ)上，進(jìn)行S03步驟的脫氮處理，于溫度850-1150°C下煅燒l_5h，即可獲得缺陷活性炭材料。其中，脫氮處理中，溫度優(yōu)選為1050°C，升溫速率優(yōu)選為5°C/min。當(dāng)溫度超過1150°C后，會導(dǎo)致空隙缺陷結(jié)構(gòu)坍塌，不能實現(xiàn)良好的催化性能。
[0037]上述制備方法中，原料來源廣泛，價格低廉，而且操作簡單，易于控制和實現(xiàn)，適合大規(guī)模生產(chǎn)。
[0038]現(xiàn)以具體用于燃料電池和金屬-空氣電池陰極反應(yīng)的活性炭材料及制備方法為例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0039]實施例1
[0040](I)將活性炭和氫氧化鉀以質(zhì)量比1:7.5在氧化鋁瓷舟中物理混合，然后置于管式爐中。先用氮氣吹掃30min，再運行升溫程序:從室溫以5°C/min的升溫速率升至750°C，然后在750 °C的氮氣氣氛下保溫60min，結(jié)束程序，隨爐降溫；
[0041](2)將步驟(I)中所得樣品先用去離子水溶解，然后加過量的3mol/L的鹽酸進(jìn)行洗滌，最后用去離子水將溶液抽濾洗滌至中性后，在80°C的干燥箱中干燥12h即可；
[0042](3)將步驟⑵中所得的活性炭在500°C的氨氣氣氛下處理3h (升溫速率為3°C /min)即可得到摻氮的樣品；
[0043](4)將步驟(3)中所得的活性炭在950°C的氮氣氣氛下進(jìn)一步煅燒2h(升溫速率為5°C /min)便可得到最終樣品。
[0044]實施例2
[0045](I)將活性炭和氫氧化鉀以質(zhì)量比1:7.5在氧化鋁瓷舟中物理混合，然后置于管式爐中。先用氮氣吹掃30min，再運行升溫程序:從室溫以5°C/min的升溫速率升至750°C，然后在750 °C的氮氣氣氛下保溫60min，結(jié)束程序，隨爐降溫；
[0046](2)將步驟(I)中所得樣品先用去離子水溶解，然后加過量的3mol/L的鹽酸進(jìn)行洗滌，最后用去離子水將溶液抽濾洗滌至中性后，在80°C的干燥箱中干燥12h即可；
[0047](3)將步驟⑵中所得的活性炭在500°C的氨氣氣氛下處理3h (升溫速率為3°C /min)即可得到摻氮的樣品；
[0048](4)將步驟(3)中所得的活性炭在1050°C的氮氣氣氛下進(jìn)一步煅燒2h (升溫速率為5°C /min)便可得到最終樣品。
[0049]實施例3
[0050](I)將活性炭和氫氧化鉀以質(zhì)量比1:7.5在氧化鋁瓷舟中物理混合，然后置于管式爐中。先用氮氣吹掃30min，再運行升溫程序:從室溫以5°C/min的升溫速率升至750°C，然后在750 °C的氮氣氣氛下保溫60min，結(jié)束程序，隨爐降溫；
[0051](2)將步驟(I)中所得樣品先用去離子水溶解，然后加過量的3mol/L的鹽酸進(jìn)行洗滌，最后用去離子水將溶液抽濾洗滌至中性后，在80°C的干燥箱中干燥12h即可；
[0052](3)將步驟⑵中所得的活性炭在500°C的氨氣氣氛下處理3h (升溫速率為3°C /min)即可得到摻氮的樣品；
[0053](4)將步驟(3)中所得的活性炭在1150°C的氮氣氣氛下進(jìn)一步煅燒2h (升溫速率為5°C /min)便可得到最終樣品。
[0054]實施例4
[0055](I)將活性炭和氫氧化鉀以質(zhì)量比1:9在氧化鋁瓷舟中物理混合，然后置于管式爐中。先用氮氣吹掃30min，再運行升溫程序:從室溫以5°C /min的升溫速率升至750°C，然后在750 °C的氮氣氣氛下保溫60min，結(jié)束程序，隨爐降溫；
[0056](2)將步驟(I)中所得樣品先用去離子水溶解，然后加過量的3mol/L的鹽酸進(jìn)行洗滌，最后用去離子水將溶液抽濾洗滌至中性后，在80°C的干燥箱中干燥12h即可；
[0057](3)將步驟⑵中所得的活性炭在900°C的氨氣氣氛下處理3h (升溫速率為3°C /min)即可得到摻氮的樣品；
[0058](4)將步驟(3)中所得的活性炭在1150°C的氮氣氣氛下進(jìn)一步煅燒2h (升溫速率為5°C /min)便可得到最終樣品。
[0059]實施例5
[0060](I)將活性炭和氫氧化鉀以質(zhì)量比1:5在氧化鋁瓷舟中物理混合，然后置于管式爐中。先用氮氣吹掃30min，再運行升溫程序:從室溫以5°C /min的升溫速率升至750°C，然后在750 °C的氮氣氣氛下保溫60min，結(jié)束程序，隨爐降溫；
[0061](2)將步驟(I)中所得樣品先用去離子水溶解，然后加過量的3mol/L的鹽酸進(jìn)行洗滌，最后用去離子水將溶液抽濾洗滌至中性后，在80°C的干燥箱中干燥12h即可；
[0062](3)將步驟⑵中所得的活性炭在400°C的氨氣氣氛下處理3h (升溫速率為3°C /min)即可得到摻氮的樣品；
[0063](4)將步驟(3)中所得的活性炭在850°C的氮氣氣氛下進(jìn)一步煅燒2h(升溫速率為5°C /min)便可得到最終樣品。
[0064]在眾多的經(jīng)本發(fā)明實施例方法制得的樣品中，我們選取樣品N-ACF-500-1050、N-ACF-500-1150、N-ACF-500-950 與 ACF、N-ACF-500 和 Pt/C 催化劑進(jìn)行比較和研究，得出結(jié)論圖如圖1-圖8，具體闡述如下:
[0065]通過圖1或圖2可知，活化之后的樣品以及最終得到的缺陷活性炭催化劑的比表面積較高，而且孔徑分布范圍比較窄。通過圖3可知，隨著溫度的升高，摻雜的氮原子逐漸減少，當(dāng)達(dá)到950°C時，產(chǎn)物中的氮含量已經(jīng)檢測不到了，說明氮已經(jīng)去除，形成了較好的空隙缺陷結(jié)構(gòu)，使得脫氮后的活性炭材料具有良好的催化性能。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)升溫，可在其他方面進(jìn)一步改善空隙結(jié)構(gòu)、石墨化程度等，以此進(jìn)一步提高缺陷活性炭材料的活性，當(dāng)達(dá)到溫度1050°C時，缺陷活性炭材料性能最佳(參見圖4)。通過圖5可知，最終得到的缺陷活性炭催化劑N-ACF-500-1050和ACO相比，它在起始點位和電流密度方面都有大幅度的提高，而且其催化性能與商業(yè)的Pt/C已經(jīng)很接近。通過圖6可知，缺陷活性炭材料在穩(wěn)定性方面比商業(yè)Pt/C催化劑要好。而且通過圖7和圖8可知，我們制備的缺陷活性炭催化劑不會受到甲醇的毒化，而商業(yè)的Pt/C催化劑甲醇中毒卻很明顯，這說明我們的催化劑在抵抗甲醇毒性方面也比商業(yè)的Pt/C更具有優(yōu)勢。
[0066]終上所述，本發(fā)明所得到的催化劑不僅具有良好的催化性能，而且與商用的Pt/C催化劑相比，其穩(wěn)定性有很大的提高，同時也不會受到甲醇毒化的影響。更重要的是其價格低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)，從而有望使燃料電池和金屬-空氣電池早日實現(xiàn)商業(yè)化，進(jìn)而緩解能源危機等問題。
[0067]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種用于陰極反應(yīng)的活性炭材料，其特征在于，所述材料為缺陷活性炭材料，是以活性炭為基礎(chǔ)材料，將活性炭經(jīng)過活化處理、氮摻雜處理，并于溫度850-1150°C下煅燒l_5h進(jìn)行脫氮處理后形成的，其中，所述缺陷活性炭材料的比表面積大于2000m2/g，孔徑分布集中在 1.0-1.5nm。2.一種用于陰極反應(yīng)的活性炭材料的制備方法，其特征在于，包括以下制備步驟: 對活性炭進(jìn)行活化處理，獲得產(chǎn)物一； 將所述產(chǎn)物一置于氨氣氣氛中，于溫度400-900°C下煅燒l_5h進(jìn)行氮摻雜處理，獲得產(chǎn)物二 ； 將所述產(chǎn)物二置于惰性氣體氣氛中，于溫度850-1150°C下煅燒l_5h進(jìn)行脫氮處理，獲得缺陷活性炭材料。3.如權(quán)利要求2所述的用于陰極反應(yīng)的活性炭材料的制備方法，其特征在于，在所述獲得產(chǎn)物一步驟之后，在所述氮摻雜處理步驟之前，對所述產(chǎn)物一進(jìn)行純化處理，以保證所述產(chǎn)物一的純度。4.如權(quán)利要求3所述的用于陰極反應(yīng)的活性炭材料的制備方法，其特征在于，所述活化處理的步驟是，將活性炭與活化劑按質(zhì)量比1:3-1:10混合，再將混合物于500-900°C的惰性氣體氣氛下煅燒0.5-3h。5.如權(quán)利要求4所述的用于陰極反應(yīng)的活性炭材料的制備方法，其特征在于，所述活化劑為KOH或NaOH。6.如權(quán)利要求5所述的用于陰極反應(yīng)的活性炭材料的制備方法，其特征在于，所述純化處理步驟是，將所述產(chǎn)物一用鹽酸進(jìn)行洗滌，再用去離子水進(jìn)一步洗滌至中性，后干燥。7.如權(quán)利要求2-6任一項所述的用于陰極反應(yīng)的活性炭材料的制備方法，其特征在于，所述氮摻雜處理步驟中，溫度為500°C。8.如權(quán)利要求2-6任一項所述的用于陰極反應(yīng)的活性炭材料的制備方法，其特征在于，所述脫氮處理步驟中，溫度為1050°C。9.如權(quán)利要求2-6任一項所述的用于陰極反應(yīng)的活性炭材料的制備方法，其特征在于，所述氮摻雜處理步驟中，升溫速率為3°C /min。10.如權(quán)利要求2-6任一項所述的用于陰極反應(yīng)的活性炭材料的制備方法，其特征在于，所述脫氮處理步驟中，升溫速率為5°C /min。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于陰極反應(yīng)的活性炭材料，是以活性炭為基礎(chǔ)材料，將活性炭經(jīng)過活化處理、氮摻雜處理，并于溫度850-1150℃下煅燒1-5h進(jìn)行脫氮處理后形成的，具有良好的電催化性能。同時，本發(fā)明還公開了一種用于陰極反應(yīng)的活性炭材料的制備方法，主要包括將活性炭進(jìn)行活化處理、氮摻雜處理和脫氮處理步驟，制備方法簡單，易于控制和實現(xiàn)，適于工業(yè)化應(yīng)用。
【IPC分類】H01M4/90, H01M4/88
【公開號】CN105280930
【申請?zhí)枴緾N201510252332
【發(fā)明人】姚向東, 嚴(yán)學(xué)成
【申請人】深圳市國創(chuàng)新能源研究院
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2015年5月18日