一种燃料电池负极催化剂纳米粒子复合材料的制备方法
阅读说明：本技术 一种燃料电池负极催化剂纳米粒子复合材料的制备方法 (Preparation method of fuel cell cathode catalyst nano particle composite material ) 是由 崔大祥 李梦飞 刘鹏飞 周霖 李天昊 葛美英 张芳 于 2020-12-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种燃料电池负极催化剂纳米粒子复合材料的制备方法,该方法在水热条件下,利用碳纳米管作为前驱体,在合成过程中NiFe_2O_4纳米粒子直接成核,均匀地生长和锚定在碳纳米管上,同时在碳纳米管框架结构中掺入氮元素,实现了NiFe_2O_4纳米粒子在氮掺杂碳纳米管(CNT)上的均匀负载,制得了NiFe_2O_4/CNT纳米复合材料。本发明的优点在于水热法制备方法简单,反应温度低,无需后续处理条件且该复合材料对氧气还原反应具有优良的催化活性和稳定性,该发明制备的NiFe_2O_4/CNT纳米复合材料不仅可用于燃料电池阴极催化剂,同时还可应用于传感器和超级电容器等领域。(The invention discloses a preparation method of a fuel cell cathode catalyst nano particle composite material, which utilizes a carbon nano tube as a precursor under the hydrothermal condition and NiFe in the synthesis process 2 O 4 Nano particles are directly nucleated, uniformly grow and are anchored on the carbon nano tube, and simultaneously nitrogen is doped into the carbon nano tube framework structure, so that NiFe is realized 2 O 4 The uniform load of the nano particles on the nitrogen-doped Carbon Nano Tube (CNT) is adopted to prepare the NiFe 2 O 4 A/CNT nanocomposite material. The invention has the advantages that the hydrothermal method has simple preparation method, low reaction temperature and no need of subsequent treatment conditions, and the composite material has the function of oxygen reduction reactionExcellent catalytic activity and stability, NiFe prepared by said invention 2 O 4 the/CNT nano composite material can be used for a fuel cell cathode catalyst, and can also be applied to the fields of sensors, supercapacitors and the like.)
技术领域
本发明涉及一种燃料电池负极催化剂纳米粒子复合材料的制备方法，具体是尖晶石结构下的碳基过渡金属掺杂非金属纳米粒子复合材料的制备方法。
背景技术
燃料电池技术以其具有能量转化效率高、零排放或者低排放、燃料来源丰富等优点而被认为是一种可在未来占据重要地位的洁净新能源技术，是解决未来能源短缺和环境污染问题的重要技术手段之一。阻碍燃料电池大规模商业化应用的最大障碍是使用 Pt 作为催化剂所导致的成本问题， 因此研究开发原料来源广、成本低廉、 ORR 催化活性高的非铂阴极催化剂来取代昂贵的 Pt 催化剂是降低燃料电池成本、推动燃料电池大规模商业化应用的最关键技术。
碳纳米管由于其尺寸小，表面积大、密度低、电导率和导热系数高，使得其成为一个非常理想的电催化剂载体材料。本专利采用碳纳米管作为碳载体，以设计制备经济、高效、稳定的氧还原催化剂为主要研究目标，开拓了新的碳基电催化剂合成方法。由于NiFe2O4纳米粒子和石墨烯碳纳米管之间产生强耦合和协同作用，NiFe2O4/CNT纳米复合材料对ORR表现出优良的催化活性和稳定性。
发明内容
本发明目的在于提供一种燃料电池负极催化剂纳米粒子复合材料的制备方法。
本发明目的通过以下方案实现：一种燃料电池负极催化剂纳米粒子复合材料的制备方法，在水热条件下，利用碳纳米管作为前驱体，在合成过程中NiFe2O4纳米粒子直接成核，均匀地生长和锚定在碳纳米管上，同时在碳纳米管框架结构中掺入氮元素，实现了NiFe2O4纳米粒子在氮掺杂碳纳米管(CNT)上的均匀负载，制得NiFe2O4/CNT纳米复合材料，包括如下步骤：
(1) 分别称取0.1g~0.5g的铁盐和镍盐置于烧杯中，使铁盐和镍盐的摩尔比为2：1；再称取0.02g~0.1g的石墨烯碳纳米管置于另一烧杯中；
(2) 向两只烧杯中均加入20ml乙醇，先对装有石墨烯碳纳米管的烧杯溶液进行1h超声后，在将两只烧杯溶液混合并进行600 r/min磁力搅拌2小时，边搅拌边逐滴加入0.5 mL 浓度为28%的氨水溶液；
(3) 将溶液在80℃的水浴中搅拌10 h后，80℃烘干5小时，得反应物；
(4) 将上述反应物转移至 50 mL 的高压反应釜中，放入鼓风干燥箱中160~180℃下反应 3~5 h，冷却到室温，得产品；
(5) 将步骤（4）所得产品用去离子水进行离心清洗，速率是10000 r/min，离心5 min，然后在50℃下干燥，即制得NiFe2O4/CNT纳米复合材料。
其中，在步骤（1）中所述的铁盐为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁中的至少一种；所述的镍盐为氯化镍、硝酸镍、硫酸镍中的至少一种。
本发明的优点在于水热法制备方法简单，反应温度低，无需后续处理条件且该复合材料对氧气还原反应具有优良的催化活性和稳定性，该发明制备的NiFe2O4/CNT纳米复合材料不仅可用于燃料电池阴极催化剂，同时还可应用于传感器和超级电容器等领域。用较为简易的方法，以尖晶石结构下的碳基过渡金属掺杂非金属纳米粒子来进行制备NiFe2O4/CNT纳米复合材料，此纳米复合材料对氧气还原反应具有优良的催化活性和稳定性。 因此这种复合材料不仅可作为高效的燃料电池阴极催化剂，同时还可应用于传感器和超级电容器等领域。这种制备催化剂的方法也可能在其它材料的制备领域得到进一步的发展和应用。
附图说明
图1为NiFe2O4/CNT纳米材料的SEM图，由图可以看出，所得材料为纳米颗粒，尺寸在5-10nm，尺寸分布均一，较小的尺寸具有较大的比表面积，用于催化材料可提升其活性位点，因此具有较好的催化特性。
具体实施方式
实施例1：
一种燃料电池负极催化剂纳米粒子复合材料，在水热条件下，利用碳纳米管作为前驱体，在合成过程中NiFe2O4纳米粒子直接成核，均匀地生长和锚定在碳纳米管上，同时在碳纳米管框架结构中掺入氮元素，实现了NiFe2O4纳米粒子在氮掺杂碳纳米管(CNT)上的均匀负载，制得NiFe2O4/CNT纳米复合材料，按如下步骤制备：
(1) 分别称取0.1g的铁盐和镍盐置于烧杯中，使铁盐和镍盐的摩尔比为2：1；再称取0.02g的石墨烯碳纳米管置于另一烧杯中；
(2) 向两只烧杯中均加入20ml乙醇，先对装有石墨烯碳纳米管的烧杯溶液进行1h超声后，在将两只烧杯溶液混合并进行600 r/min磁力搅拌2小时，边搅拌边逐滴加入0.5 mL 浓度为28%的氨水溶液；
(3) 将溶液在80℃的水浴中搅拌10 h后，80℃烘干5小时，得反应物；
(4) 将上述反应物转移至 50 mL 的高压反应釜中，放入鼓风干燥箱中160℃下反应 3h，冷却到室温，得产品；
(5) 将步骤（4）所得产品用去离子水进行离心清洗，速率是10000 r/min，离心5 min，然后在50℃下干燥，即制得NiFe2O4/CNT纳米复合材料。NiFe2O4/CNT纳米材料的SEM图见图1，由图可以看出，所得材料为纳米颗粒，尺寸在5-10nm，尺寸分布均一，较小的尺寸具有较大的比表面积，用于催化材料可提升其活性位点，因此具有较好的催化特性。
实施例2：
一种燃料电池负极催化剂纳米粒子复合材料，与实施例步骤近似，按如下步骤制备：
(1) 分别称取0.5g的铁盐和镍盐置于烧杯中，使铁盐和镍盐的摩尔比为2：1；再称取0.06g的石墨烯碳纳米管置于另一烧杯中；
(2) 向两只烧杯中均加入20ml乙醇，先对装有石墨烯碳纳米管的烧杯溶液进行1h超声后，在将两只烧杯溶液混合并进行600 r/min磁力搅拌2小时，边搅拌边逐滴加入0.5 mL 浓度为28%的氨水溶液；
(3) 将溶液在80℃的水浴中搅拌10 h后，80℃烘干5小时，得反应物；
(4) 将上述反应物转移至 50 mL 的高压反应釜中，放入鼓风干燥箱中160℃下反应 3h，冷却到室温，得产品；
(5) 将步骤（4）所得产品用去离子水进行离心清洗，速率是10000 r/min，离心5 min，然后在50℃下干燥，即制得NiFe2O4/CNT纳米复合材料作为催化剂。
实施例3：
一种燃料电池负极催化剂纳米粒子复合材料，与实施例步骤近似，按如下步骤制备：
(1) 分别称取0.3g的铁盐和镍盐置于烧杯中，使铁盐和镍盐的摩尔比为2：1；再称取0.05g的石墨烯碳纳米管置于另一烧杯中；
(2) 向两只烧杯中均加入20ml乙醇，先对装有石墨烯碳纳米管的烧杯溶液进行1h超声后，在将两只烧杯溶液混合并进行600 r/min磁力搅拌2小时，边搅拌边逐滴加入0.5 mL 浓度为28%的氨水溶液；
(3) 将溶液在80℃的水浴中搅拌10 h后，80℃烘干5小时，得反应物；
(4) 将上述反应物转移至 50 mL 的高压反应釜中，放入鼓风干燥箱中160℃下反应 5h，冷却到室温，得产品；
(5) 将步骤（4）所得产品用去离子水进行离心清洗，速率是10000 r/min，离心5 min，然后在50℃下干燥，即制得NiFe2O4/CNT纳米复合材料作为催化剂。
实施例4：
一种燃料电池负极催化剂纳米粒子复合材料，与实施例步骤近似，按如下步骤制备：
(1) 分别称取0.155g的铁盐和镍盐置于烧杯中，使铁盐和镍盐的摩尔比为2：1；再称取0.1g的石墨烯碳纳米管置于另一烧杯中；
(2) 向两只烧杯中均加入20ml乙醇，先对装有石墨烯碳纳米管的烧杯溶液进行1h超声后，在将两只烧杯溶液混合并进行600 r/min磁力搅拌2小时，边搅拌边逐滴加入0.5 mL 浓度为28%的氨水溶液；
(3) 将溶液在80℃的水浴中搅拌10 h后，80℃烘干5小时，得反应物；
(4) 将上述反应物转移至 50 mL 的高压反应釜中，放入鼓风干燥箱中180℃下反应 3h，冷却到室温，得产品；
(5) 将步骤（4）所得产品用去离子水进行离心清洗，速率是10000 r/min，离心5 min，然后在50℃下干燥，即制得NiFe2O4/CNT纳米复合材料作为催化剂。
上述的实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。