一种氮掺杂多孔碳负载蜂窝状介孔Co3O4的析氧催化剂及制法的制作方法

一种氮掺杂多孔碳负载蜂窝状介孔co3o4的析氧催化剂及制法
技术领域
[0001]
本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种氮掺杂多孔碳负载蜂窝状介孔co3o4的析氧催化剂及制法。


背景技术：

[0002]
随着全球环境问题的日益严重，人们对于清洁能源的研究越来越多，甲醇燃料电池具有绿色无污染、较高的能量密度、储存方便等特点，引起广泛关注，但是其大规模应用仍然比较遥远，主要问题是电池在工作过程中，氧电极涉及的氧还原反应和析氧反应速率较慢、稳定性较差、过电位较高，通常需要使用昂贵的铂基贵金属催化剂，限制了其应用，因此，需要开发出新的效率高、稳定性好的非贵金属析氧催化剂。
[0003]
在非贵金属催化剂中，过渡金属氧化物四氧化三钴、氧化镍、四氧化三铁等具有较低的析氧过电位，而且成本较低、稳定性较好，在析氧催化剂上具有广阔的应用前景，其中纳米四氧化三钴具有较好的析氧催化性能，但是单一纳米四氧化三钴的导电性较差、在电解液中容易团聚，导致纳米四氧化三钴催化剂析氧过电位较高、析氧性能较差，将其负载在多孔碳上，有效改善了纳米四氧化三钴的导电性，减少了纳米四氧化三钴的团聚，从而提高了纳米四氧化三钴的稳定性，同时，采用元素掺杂多孔碳，可以进一步提高其导电性。
[0004]
(一)解决的技术问题
[0005]
针对现有技术的不足，本发明提供了一种氮掺杂多孔碳负载蜂窝状介孔co3o4的析氧催化剂及制法，解决了co3o4催化剂析氧过电位较高、析氧性能较差的问题。
[0006]
(二)技术方案
[0007]
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种氮掺杂多孔碳负载蜂窝状介孔co3o4的析氧催化剂，所述氮掺杂多孔碳负载蜂窝状介孔co3o4的析氧催化剂制备方法如下：
[0008]
(1)向反应瓶中加入溶剂乙醇、模板剂多孔纳米硅、硝酸钴，二者的质量比为35-45:100，搅拌30-90min并干燥，置于马弗炉中，在420-500℃下煅烧6-18h，在70-90℃下用氢氧化钠溶液洗去模板剂，离心，用去离子水、乙醇洗涤干净并干燥，得到蜂窝状介孔纳米四氧化三钴；
[0009]
(2)向反应瓶中加入溶剂稀硫酸、亚硝酸钠、萘胺，二者的质量比为15-25:100，在冰水浴中，搅拌反应20-40min，减压蒸馏，用去离子水洗涤干净并干燥，得到萘基重氮盐；
[0010]
(3)向反应瓶中加入去离子水、萘基重氮盐、氢氧化钠、酚醛树脂，搅拌反应3-5h，抽滤，用去离子水洗涤干净并干燥，得到偶氮化酚醛树脂；
[0011]
(4)向反应瓶中加入蜂窝状介孔纳米四氧化三钴、氢氧化钾、偶氮化酚醛树脂，分散均匀，研磨充分，置于气相沉积炉中，进行碳化过程，用稀盐酸、去离子水洗涤干净并干燥，得到氮掺杂多孔碳负载蜂窝状介孔co3o4的析氧催化剂。
[0012]
优选的，所述步骤(1)中马弗炉包括主体，主体的顶部活动连接有保温盖，保温盖的顶部活动连接有把手，主体的中间活动连接有第一加热槽，第一加热槽的中间活动连接有第一加热块，主体的顶部活动连接有载物架，保温盖的中间活动连接有第二加热槽，第二
45:100，搅拌30-90min并干燥，置于马弗炉中，马弗炉包括主体，主体的顶部活动连接有保温盖，保温盖的顶部活动连接有把手，主体的中间活动连接有第一加热槽，第一加热槽的中间活动连接有第一加热块，主体的顶部活动连接有载物架，保温盖的中间活动连接有第二加热槽，第二加热槽的中间活动连接有第二加热块，保温盖的中间活动连接有散热孔，在420-500℃下煅烧6-18h，在70-90℃下用氢氧化钠溶液洗去模板剂，离心，用去离子水、乙醇洗涤干净并干燥，得到蜂窝状介孔纳米四氧化三钴；
[0025]
(2)向反应瓶中加入溶剂稀硫酸、亚硝酸钠、萘胺，二者的质量比为15-25:100，在冰水浴中，搅拌反应20-40min，减压蒸馏，用去离子水洗涤干净并干燥，得到萘基重氮盐；
[0026]
(3)向反应瓶中加入去离子水、萘基重氮盐、氢氧化钠、酚醛树脂，三者的质量比为20-40:5-15:100，搅拌反应3-5h，抽滤，用去离子水洗涤干净并干燥，得到偶氮化酚醛树脂；
[0027]
(4)向反应瓶中加入蜂窝状介孔纳米四氧化三钴、氢氧化钾、偶氮化酚醛树脂，三者的质量比为45-60:20-30:100，分散均匀，研磨充分，置于气相沉积炉中，进行碳化过程，碳化过程为在氮气氛围中650-750℃下碳化1-2h，用稀盐酸、去离子水洗涤干净并干燥，得到氮掺杂多孔碳负载蜂窝状介孔co3o4的析氧催化剂。
[0028]
实施例1
[0029]
(1)向反应瓶中加入溶剂乙醇、模板剂多孔纳米硅、硝酸钴，二者的质量比为35:100，搅拌30min并干燥，置于马弗炉中，马弗炉包括主体，主体的顶部活动连接有保温盖，保温盖的顶部活动连接有把手，主体的中间活动连接有第一加热槽，第一加热槽的中间活动连接有第一加热块，主体的顶部活动连接有载物架，保温盖的中间活动连接有第二加热槽，第二加热槽的中间活动连接有第二加热块，保温盖的中间活动连接有散热孔，在420℃下煅烧6h，在70℃下用氢氧化钠溶液洗去模板剂，离心，用去离子水、乙醇洗涤干净并干燥，得到蜂窝状介孔纳米四氧化三钴；
[0030]
(2)向反应瓶中加入溶剂稀硫酸、亚硝酸钠、萘胺，二者的质量比为15:100，在冰水浴中，搅拌反应20min，减压蒸馏，用去离子水洗涤干净并干燥，得到萘基重氮盐；
[0031]
(3)向反应瓶中加入去离子水、萘基重氮盐、氢氧化钠、酚醛树脂，三者的质量比为20:5:100，搅拌反应3h，抽滤，用去离子水洗涤干净并干燥，得到偶氮化酚醛树脂；
[0032]
(4)向反应瓶中加入蜂窝状介孔纳米四氧化三钴、氢氧化钾、偶氮化酚醛树脂，三者的质量比为45:20:100，分散均匀，研磨充分，置于气相沉积炉中，进行碳化过程，碳化过程为在氮气氛围中650℃下碳化1h，用稀盐酸、去离子水洗涤干净并干燥，得到氮掺杂多孔碳负载蜂窝状介孔co3o4的析氧催化剂。
[0033]
实施例2
[0034]
(1)向反应瓶中加入溶剂乙醇、模板剂多孔纳米硅、硝酸钴，二者的质量比为40:100，搅拌60min并干燥，置于马弗炉中，马弗炉包括主体，主体的顶部活动连接有保温盖，保温盖的顶部活动连接有把手，主体的中间活动连接有第一加热槽，第一加热槽的中间活动连接有第一加热块，主体的顶部活动连接有载物架，保温盖的中间活动连接有第二加热槽，第二加热槽的中间活动连接有第二加热块，保温盖的中间活动连接有散热孔，在460℃下煅烧12h，在80℃下用氢氧化钠溶液洗去模板剂，离心，用去离子水、乙醇洗涤干净并干燥，得到蜂窝状介孔纳米四氧化三钴；
[0035]
(2)向反应瓶中加入溶剂稀硫酸、亚硝酸钠、萘胺，二者的质量比为20:100，在冰水
浴中，搅拌反应30min，减压蒸馏，用去离子水洗涤干净并干燥，得到萘基重氮盐；
[0036]
(3)向反应瓶中加入去离子水、萘基重氮盐、氢氧化钠、酚醛树脂，三者的质量比为30:10:100，搅拌反应4h，抽滤，用去离子水洗涤干净并干燥，得到偶氮化酚醛树脂；
[0037]
(4)向反应瓶中加入蜂窝状介孔纳米四氧化三钴、氢氧化钾、偶氮化酚醛树脂，三者的质量比为53:25:100，分散均匀，研磨充分，置于气相沉积炉中，进行碳化过程，碳化过程为在氮气氛围中700℃下碳化1.5h，用稀盐酸、去离子水洗涤干净并干燥，得到氮掺杂多孔碳负载蜂窝状介孔co3o4的析氧催化剂。
[0038]
实施例3
[0039]
(1)向反应瓶中加入溶剂乙醇、模板剂多孔纳米硅、硝酸钴，二者的质量比为45:100，搅拌90min并干燥，置于马弗炉中，马弗炉包括主体，主体的顶部活动连接有保温盖，保温盖的顶部活动连接有把手，主体的中间活动连接有第一加热槽，第一加热槽的中间活动连接有第一加热块，主体的顶部活动连接有载物架，保温盖的中间活动连接有第二加热槽，第二加热槽的中间活动连接有第二加热块，保温盖的中间活动连接有散热孔，在500℃下煅烧18h，在90℃下用氢氧化钠溶液洗去模板剂，离心，用去离子水、乙醇洗涤干净并干燥，得到蜂窝状介孔纳米四氧化三钴；
[0040]
(2)向反应瓶中加入溶剂稀硫酸、亚硝酸钠、萘胺，二者的质量比为25:100，在冰水浴中，搅拌反应40min，减压蒸馏，用去离子水洗涤干净并干燥，得到萘基重氮盐；
[0041]
(3)向反应瓶中加入去离子水、萘基重氮盐、氢氧化钠、酚醛树脂，三者的质量比为40:15:100，搅拌反应5h，抽滤，用去离子水洗涤干净并干燥，得到偶氮化酚醛树脂；
[0042]
(4)向反应瓶中加入蜂窝状介孔纳米四氧化三钴、氢氧化钾、偶氮化酚醛树脂，三者的质量比为60:30:100，分散均匀，研磨充分，置于气相沉积炉中，进行碳化过程，碳化过程为在氮气氛围中750℃下碳化2h，用稀盐酸、去离子水洗涤干净并干燥，得到氮掺杂多孔碳负载蜂窝状介孔co3o4的析氧催化剂。
[0043]
对比例1
[0044]
(1)向反应瓶中加入溶剂乙醇、模板剂多孔纳米硅、硝酸钴，二者的质量比为30:100，搅拌30min并干燥，置于马弗炉中，马弗炉包括主体，主体的顶部活动连接有保温盖，保温盖的顶部活动连接有把手，主体的中间活动连接有第一加热槽，第一加热槽的中间活动连接有第一加热块，主体的顶部活动连接有载物架，保温盖的中间活动连接有第二加热槽，第二加热槽的中间活动连接有第二加热块，保温盖的中间活动连接有散热孔，在420℃下煅烧6h，在70℃下用氢氧化钠溶液洗去模板剂，离心，用去离子水、乙醇洗涤干净并干燥，得到蜂窝状介孔纳米四氧化三钴；
[0045]
(2)向反应瓶中加入溶剂稀硫酸、亚硝酸钠、萘胺，二者的质量比为10:100，在冰水浴中，搅拌反应20min，减压蒸馏，用去离子水洗涤干净并干燥，得到萘基重氮盐；
[0046]
(3)向反应瓶中加入去离子水、萘基重氮盐、氢氧化钠、酚醛树脂，三者的质量比为15:2:100，搅拌反应3h，抽滤，用去离子水洗涤干净并干燥，得到偶氮化酚醛树脂；
[0047]
(4)向反应瓶中加入蜂窝状介孔纳米四氧化三钴、氢氧化钾、偶氮化酚醛树脂，三者的质量比为40:15:100，分散均匀，研磨充分，置于气相沉积炉中，进行碳化过程，碳化过程为在氮气氛围中650℃下碳化1h，用稀盐酸、去离子水洗涤干净并干燥，得到氮掺杂多孔碳负载蜂窝状介孔co3o4的析氧催化剂。
[0048]
对比例2
[0049]
(1)向反应瓶中加入溶剂乙醇、模板剂多孔纳米硅、硝酸钴，二者的质量比为50:100，搅拌90min并干燥，置于马弗炉中，马弗炉包括主体，主体的顶部活动连接有保温盖，保温盖的顶部活动连接有把手，主体的中间活动连接有第一加热槽，第一加热槽的中间活动连接有第一加热块，主体的顶部活动连接有载物架，保温盖的中间活动连接有第二加热槽，第二加热槽的中间活动连接有第二加热块，保温盖的中间活动连接有散热孔，在500℃下煅烧18h，在90℃下用氢氧化钠溶液洗去模板剂，离心，用去离子水、乙醇洗涤干净并干燥，得到蜂窝状介孔纳米四氧化三钴；
[0050]
(2)向反应瓶中加入溶剂稀硫酸、亚硝酸钠、萘胺，二者的质量比为30:100，在冰水浴中，搅拌反应40min，减压蒸馏，用去离子水洗涤干净并干燥，得到萘基重氮盐；
[0051]
(3)向反应瓶中加入去离子水、萘基重氮盐、氢氧化钠、酚醛树脂，三者的质量比为50:20:100，搅拌反应5h，抽滤，用去离子水洗涤干净并干燥，得到偶氮化酚醛树脂；
[0052]
(4)向反应瓶中加入蜂窝状介孔纳米四氧化三钴、氢氧化钾、偶氮化酚醛树脂，三者的质量比为70:40:100，分散均匀，研磨充分，置于气相沉积炉中，进行碳化过程，碳化过程为在氮气氛围中750℃下碳化2h，用稀盐酸、去离子水洗涤干净并干燥，得到氮掺杂多孔碳负载蜂窝状介孔co3o4的析氧催化剂。
[0053]
向反应瓶中加入体积比为115:30:5的去离子水、乙醇、质量分数为5％的nafion，再加入氮掺杂多孔碳负载蜂窝状介孔co3o4的析氧催化剂7mg，超声分散均匀，用移液枪取4ul溶液滴在圆盘电极表面，干燥后作为工作电极，铂丝作为对电极，饱和甘汞电极电极作为参比电极，电解液为1mol/l的氢氧化钾溶液，采用chi800d型电化学工作站测试其电化学性能和析氧过电位，测试标准为gb/t 33983.2-2017。
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