專利名稱：含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維的制備方法及其在燃料電池催化劑中的應(yīng)用的制作方法
含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維的制備方法及其在燃料電池催化劑中的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于碳納米纖維及燃料電池催化劑技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及含過渡金屬與氮 元素的碳納米纖維的制備方法及其在燃料電池催化劑中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池是一種直接將燃料中儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，其 中燃料(如h2、甲醇和乙醇等)在陽極催化劑的作用下被氧化并釋放出電子到外電路，而 氧氣在陰極催化劑的作用下結(jié)合外電路提供的電子并還原成水。這一轉(zhuǎn)化過程沒有氣體 污染，不受卡諾循環(huán)的限制，能量效率高，因此代表了一種有前途的清潔能源技術(shù)。然 而，陰極氧還原反應(yīng)的可逆性很低，造成很高的過電位，使得燃料電池的實(shí)際電壓遠(yuǎn)小 于其理論電壓，降低了電池的工作性能，極大地限制了燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用。為了加 速陰極氧還原反應(yīng)的過程，需要使用大量的貴金屬Pt催化劑以提高反應(yīng)速度，也因此大 大增加了電池的成本。因此，研究具有高催化活性的非貴金屬催化劑，使之取代貴金屬 Pt對(duì)燃料電池的商業(yè)化具有重要的意義。
通過近幾十年的研究，人們發(fā)現(xiàn)自然界中的一些生物酶對(duì)氧還原反應(yīng)具有很 好的催化活性，如細(xì)胞色素C和漆酶等。這些生物酶中的活性位往往由:Fe和Cu等 過渡金屬與氮的配位化合物所組成。因此，如果能將生物酶中的高活性位與具有高比 表面積的無機(jī)材料相結(jié)合，那么則有望得到高催化活性的非貴金屬催化劑。如文獻(xiàn)"Iron-Based Catalysts with Improved Oxygen Reduction Activity inPolymer Electrolyte Fuel Cells,，，Science, 2009，第71-74頁，第323卷中報(bào)道的利用氨氣高溫處理表面浸漬硝 酸鐵的活性炭，中國專利CN101427406A報(bào)道的活性炭載體上形成包括過渡金屬和氮的 組合物，以及中國專利CN101657921A報(bào)道的以一種納米顆粒為載體、利用含氮芳族化 合物與過渡金屬鹽高溫聚合形成的催化劑等，都形成了過渡金屬與氮的配位化合物而表 現(xiàn)出對(duì)氧還原反應(yīng)較好的催化活性。盡管如此，非貴金屬催化劑仍然面臨一些問題，其 單位體積的催化活性仍不夠高等，導(dǎo)致催化層的厚度較大，電極的電阻增大且電極中的 物質(zhì)傳輸(如氧氣的擴(kuò)散和水的排出)相應(yīng)受到限制從而引起電池性能下降。
近年來，納米纖維材料以其獨(dú)特的性質(zhì)正受到越來越多的重視。納米纖維是指 直徑在幾納米到幾百納米之間的超細(xì)纖維材料，具有高的比表面積和孔隙率等優(yōu)點(diǎn)，在 吸附、過濾、催化、分離膜和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用前景。制備纖維材料的 方式很多，如熱氣流拉伸法、海島法、模板合成法、自組裝和靜電紡絲等。其中靜電 紡絲是一種相對(duì)較容易生產(chǎn)大量各種納米纖維的方式，其原理是將聚合物溶液或熔體 帶上幾千至上萬伏高壓靜電，當(dāng)電場(chǎng)力足夠大時(shí)，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細(xì) 流，細(xì)流在噴射過程中溶劑揮發(fā)，最終落在接收裝置上，最終形成納米纖維。通過進(jìn)一 步碳化即可得到碳納米纖維。相比傳統(tǒng)顆粒形式的活性炭載體，碳納米纖維還可以直 接形成無紡的膜、氈、或布等形式，可作為自支持的催化電極，大大簡化了電極制備工藝，并具有導(dǎo)電性好、比表面積大和孔隙率高(有利于燃料電池中的物質(zhì)傳輸)等優(yōu)點(diǎn)。 因此，如能形成含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維，有望實(shí)現(xiàn)高性能的燃料電池催化電 極。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)并制備出一種高催化活性的燃料電池催化劑。本發(fā)明提出 了一種含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維的制備方法，并將含過渡金屬與氮元素的碳納 米纖維應(yīng)用于燃料電池催化劑。
含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維的制備方法，其特征在于包括以下步驟
(1)將至少一種過渡金屬鹽與至少一種含氮聚合物溶于溶劑，形成前軀體溶液； 所述的前軀體溶液中含氮聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在到30%之間，過渡金屬與含氮聚合物 的質(zhì)量比在0.1%到10%之間；
(2)將前軀體溶液通過靜電紡絲得到有機(jī)納米纖維；
(3)將有機(jī)納米纖維在基本惰性氣氛下加熱碳化，得到含過渡金屬與氮元素的碳 納米纖維。
本發(fā)明還涉及含過渡金屬與氮元素的多孔的碳納米纖維，在含過渡金屬與氮元 素的單根納米纖維的內(nèi)部形成多孔結(jié)構(gòu)，使其具有更高的比表面積。含過渡金屬與氮元 素的多孔的碳納米纖維的制備包含以下步驟
(1)將至少一種過渡金屬鹽、一種模板劑與至少一種含氮聚合物溶于溶劑，形成 前軀體溶液；所述的前軀體溶液中含氮聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在到30%之間，過渡金屬 與含氮聚合物的質(zhì)量比在0.1%到10%之間，模板劑與含氮聚合物的質(zhì)量比在0.1到10之 間；
(2)將前軀體溶液通過靜電紡絲得到有機(jī)納米纖維；
(3)將有機(jī)纖維在基本惰性氣氛下加熱碳化，得到的碳納米纖維含過渡金屬與氮 元素，還含有模板劑和/或分解后的模板劑；
(4)將加熱碳化后的碳納米纖維浸泡于酸性或堿性溶液中清洗以去除模板劑和/ 或分解后的模板劑，再過濾、洗滌，從而得到含過渡金屬與氮元素的多孔碳納米纖維。
上述方法中所述的模板劑選自
(1)鎂、鈣或鋁至少一種金屬的氯化物、氫氧化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、碳酸 鹽、磷酸鹽、亞磷酸鹽、硫酸鹽、亞硫酸鹽、乙酸鹽或草酸鹽中的一種或它們的組合； 或
⑵氧化硅；或
(3)上述(1)和O)的組合。
上述方法中，所述加熱碳化可采用如下步驟將有機(jī)纖維在由Ar、風(fēng)和壓至 少一種氣體組成的氣氛中加熱至500°C以上，優(yōu)選的加熱溫度為500 1200°C。
上述方法中，可在步驟( 的加熱碳化之前有一個(gè)預(yù)氧化的過程將步驟(2)的 有機(jī)納米纖維施加拉伸或壓力下，并在空氣中從室溫升溫至200 300°C之間，然后再進(jìn) 行加熱碳化，得到含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維自支持膜。
上述方法中，所述的過渡金屬鹽優(yōu)選過渡金屬的氯化物、溴化物、碘化物、氫氧化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽、亞磷酸鹽、硫酸鹽、亞硫酸鹽、乙酸 鹽、草酸鹽、乙酰丙酮鹽中的一種或多于一種，其中，過渡金屬元素選自鐵、鈷、鎳、 銅、銀、錳、鉻、釩、鈦、鉬、鎢中的一種或它們的組合。
上述方法中，所述的含氮聚合物是指在聚合物分子中含有氮元素，優(yōu)選聚丙烯 腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚吡咯、聚苯胺中的一種或它們的組合。
上述方法中，所述的溶劑優(yōu)選水、甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮、乙醚、正己 烷、苯、甲苯、N-N 二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、三氯甲烷中的一種或它們的組合。
上述方法中，所得碳納米纖維的直徑在10 IOOOnm之間。
上述方法制備的含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維，可用于燃料電池催化劑， 可將制備的含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維自支持膜，通過浸漬Nafion 溶液后直接 作為燃料電池電極使用；或者將制備的含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維形成粉末，再 與Nafion 溶液混合后，涂覆在電極上作為燃料電池催化電極使用；其中Nafion 的全 稱是全氟磺酸樹脂，為美國杜邦公司產(chǎn)。
本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明的方法簡單，易操作，制備的含過渡金屬與氮元 素的碳納米纖維對(duì)氧還原反應(yīng)表現(xiàn)出良好的催化活性，且可以直接形成膜、紙或氈等形 式的催化電極，優(yōu)化了電極結(jié)構(gòu)，同時(shí)簡化了電極制備工藝。


圖1 實(shí)例1所制備的含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維的掃描電子顯微鏡照 片。
圖2 實(shí)例1所制備的含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維的X-射線能譜。
圖3 實(shí)例1所制備的含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維的電子能量損失譜。
圖4 實(shí)例1所制備的含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維的透射電子顯微鏡照片 (a),以及利用能量過濾像得到的C元素(b)、N元素(c)和Fe元素(d)的分布圖。
圖5 以實(shí)例1所制備的含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維涂覆的旋轉(zhuǎn)圓盤玻璃 碳電極在O2飽和的、0.1mol/L的11004水溶液中的伏安曲線，掃描速率為20mV/s，電 極轉(zhuǎn)速1600轉(zhuǎn)/分鐘，圖中箭頭所示為電勢(shì)掃描方向。
圖6 實(shí)例2所制備的含過渡金屬與氮元素的多孔碳納米纖維的透射電子顯微鏡 照片。
圖7 實(shí)例2所制備的含過渡金屬與氮元素的多孔碳納米纖維的X-射線能譜。
圖8 以實(shí)例2所制備的含過渡金屬與氮元素的多孔碳納米纖維涂覆的旋轉(zhuǎn)圓盤 玻璃碳電極在O2飽和的、O.lmol/L的HClO4水溶液中的伏安曲線，掃描速率為20mV/ s，電極轉(zhuǎn)速1600轉(zhuǎn)/分鐘，圖中箭頭所示為電勢(shì)掃描方向。
圖9 實(shí)例3所制備的含過渡金屬與氮元素的多孔碳納米纖維的透射電子顯微鏡 照片。
圖10 實(shí)例3所制備的含過渡金屬與氮元素的多孔碳納米纖維的X-射線能譜。
圖11 以實(shí)例3所制備的含過渡金屬與氮元素的多孔碳納米纖維涂覆的旋轉(zhuǎn)圓 盤玻璃碳電極在O2飽和的、O.lmol/L的HClOvK溶液中的伏安曲線，掃描速率為20mV/ s，電極轉(zhuǎn)速1600轉(zhuǎn)/分鐘，圖中箭頭所示為電勢(shì)掃描方向。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明
實(shí)例1 制備含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維
配置前軀體溶液將0. 的聚丙烯腈在60°C下溶于3. 的N-N- 二甲基甲酰胺 (DMF)中，充分?jǐn)嚢枰孕纬删鶆蛲该鞯娜芤海尤?0mg的Fe(NO3)3 · 9H20,繼續(xù)在 60°C下攪拌溶解。
紡絲采用靜電紡絲制備納米纖維，具體步驟為將配好的溶液通過一導(dǎo)管連 接到一不銹鋼針管，并以0.4mL/h的流量通過針管噴出溶液。用碳紙作為納米纖維的收 集體，且與針頭的垂直距離為15cm，同時(shí)接地。將針管與一高壓發(fā)生器相連，電壓調(diào)至 15kV，即開始在收集體上得到有機(jī)納米纖維。紡絲1個(gè)小時(shí)，即可得到有機(jī)納米纖維。
碳化將有機(jī)納米纖維置于密封管中并通入Ar，然后從室溫升至100°C，再以 10 /η ι升至80(TC，并保溫2小時(shí)，完成之后自然冷卻，即可得到含過渡金屬與氮元 素的碳納米纖維。
通過掃描電子顯微鏡觀察所得含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維，其形貌如圖1 所示。X-射線能譜分析(圖2)和電子能量損失譜(圖3)均證實(shí)碳納米纖維中包含元素 C、N和Fe，分析表明Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3%，N元素的原子百分?jǐn)?shù)約為10%。利用 能量過濾像得到的一單根含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維中的元素分布圖，如圖4所 示，可知其中Fe、N和C元素均勻分布在納米纖維中。取IOyg所制備的含過渡金屬與 氮元素的碳納米纖維，涂覆于3_直徑的旋轉(zhuǎn)圓盤玻璃碳電極上，在O.lmol/L的HClO4 水溶液中測(cè)試對(duì)氧還原反應(yīng)的催化性能，掃描速率為20mV/s，所得伏安曲線如圖5。當(dāng) 電極電勢(shì)為0.6V時(shí)，這種含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維電極上的氧還原電流密度為 0.6mA/cm2，表現(xiàn)出對(duì)氧還原反應(yīng)良好的催化活性。
實(shí)例2 硝酸鎂為模板劑制備含過渡金屬與氮元素的多孔碳納米纖維
配置前軀體溶液將0.2g的聚丙烯腈在60°C下溶于3.8g的N_N_ 二甲基甲 酰胺中，充分?jǐn)嚢枰孕纬删鶆蛲该鞯娜芤?。加?0mg的Fe(NO3)3 · QH2O和0.2g的 Mg(NO3)2 · 4H20,繼續(xù)在60°C下攪拌溶解。
紡絲采用靜電紡絲制備納米纖維，具體步驟為將配好的溶液通過一導(dǎo)管連 接到一不銹鋼針管，并以l.OmL/h的流量通過針管噴出溶液。用碳紙作為納米纖維的收 集體，且與針頭的垂直距離為15cm，同時(shí)接地。將針管與一高壓發(fā)生器相連，電壓調(diào)至 30kV，即開始在收集體上得到有機(jī)納米纖維。
碳化將有機(jī)納米纖維置于密封管中并通入Ar，然后從室溫升至100°C，再以 10°C/min升至800°C，并保溫2小時(shí)，完成之后自然冷卻。在這一過程中，Mg(NO3)2 分解產(chǎn)生氧化鎂顆粒，而Fe (NO3)3被還原成1 并與N結(jié)合形成Fe-N化合物，因此可得 到含過渡金屬與氮元素并含有氧化鎂顆粒的碳納米纖維。
清洗將含過渡金屬與氮元素并含有氧化鎂顆粒的碳納米纖維置于0.5mol/L的 鹽酸溶液中，放置12h以去除氧化鎂顆粒，然后過濾、洗滌后得到含過渡金屬與氮元素 的多孔碳納米纖維。
所制備的含過渡金屬與氮元素的多孔碳納米纖維的透射電子顯微鏡照片如圖6所示。X-射線能譜分析(圖7)也證實(shí)多孔碳納米纖維中包含元素C、N和份。取10 μ g 所制備的含過渡金屬與氮元素的多孔碳納米纖維，涂覆于3_直徑的旋轉(zhuǎn)圓盤玻璃碳電極 上，在O.lmol/L的HClO4水溶液中測(cè)試對(duì)氧還原反應(yīng)的催化性能，掃描速率為20mV/s， 所得伏安曲線如圖8。當(dāng)電極電勢(shì)為0.6V時(shí)，這種含過渡金屬與氮元素的多孔碳納米纖維 電極上的氧還原電流密度為1.6mA/cm2，相比實(shí)例1提高了對(duì)氧還原反應(yīng)的催化活性。
實(shí)例3 氧化硅為模板劑制備含過渡金屬與氮元素的多孔碳納米纖維
配置前軀體溶液將0. 的聚丙烯腈在60°C下溶于3. 的N-N- 二甲基甲酰胺 中，充分?jǐn)嚢枰孕纬删鶆蛲该鞯娜芤?。加?0mg的:Fe(N03)3 · 9H20和0..2g的氧化硅 納米顆粒(直徑約50nm左右)，繼續(xù)在60°C下攪拌溶解。
紡絲采用靜電紡絲制備納米纖維，具體步驟為將配好的溶液通過一導(dǎo)管連 接到一不銹鋼針管，并以l.OmL/h的流量通過針管噴出溶液。用碳紙作為納米纖維的收 集體，且與針頭的垂直距離為15cm，同時(shí)接地。將針管與一高壓發(fā)生器相連，電壓調(diào)至 30kV，即開始在收集體上得到有機(jī)納米纖維。
碳化將有機(jī)納米纖維置于密封管中并通入Ar，然后從室溫升至100°C，再以 ΙΟ /η ι升至800°C，并保溫2小時(shí)，完成之后自然冷卻，得到含過渡金屬與氮元素并 含有氧化硅顆粒的碳納米纖維。
清洗將含過渡金屬與氮元素并含有氧化硅顆粒的碳納米纖維置于0.5mol/L的 氫氧化鈉溶液中，在60°C下放置12h以去除氧化硅顆粒，然后過濾、洗滌后得到含過渡 金屬與氮元素的多孔碳納米纖維。
所制備的含過渡金屬與氮元素的多孔碳納米纖維的透射電子顯微鏡照片如圖9 所示。X-射線能譜分析(圖10)同樣證實(shí)多孔碳納米纖維中包含元素C、N和Fe。取 10 μ g所制備的含過渡金屬與氮元素的多孔碳納米纖維，涂覆于3mm直徑的旋轉(zhuǎn)圓盤玻 璃碳電極上，在O.lmol/L的HClO4水溶液中測(cè)試對(duì)氧還原反應(yīng)的催化性能，掃描速率為 20mV/s,所得伏安曲線如圖11。當(dāng)電極電勢(shì)為0.6V時(shí)，這種含過渡金屬與氮元素的多 孔碳納米纖維電極上的氧還原電流密度為0.7mA/cm2，相比實(shí)例1也提高了對(duì)氧還原反應(yīng) 的催化活性。
實(shí)例4 制備含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維自支持膜
按實(shí)例1中配置前軀體溶液、紡絲的方法在碳紙上收集得到有機(jī)納米纖維膜， 其中所使用的碳紙面積約為1.8X 1.5cm2。然后碳化過程如下將有機(jī)納米纖維膜置于管 式爐中，并將一塊重約IOOg的剛玉塊體壓在納米纖維膜上使其對(duì)后者形成一定的壓力。 然后在空氣中從室溫升至100°C，再以2°C /min升至260°C并在260°C保溫30分鐘。再 通入Ar以去除空氣，并繼續(xù)以10°C/min升至800°C，再保溫2小時(shí)。完成之后，自然 冷卻，即可得到含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維自支持膜，其尺寸為1.8X 1.4cm2。所 得碳納米纖維自支持膜的面積可由有機(jī)納米纖維的收集體——碳紙的面積所控制。
將制備的含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維自支持膜，浸漬于質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5w% 的Nafion 溶液、然后烘干。如此反復(fù)幾次，直到碳納米纖維自支持膜上Nafion的質(zhì)量 分?jǐn)?shù)達(dá)到要求(如15wt% )，即可直接作為燃料電池電極使用。這樣就不用像粉末催化 劑那樣需要與Nafion 溶液充分混合均勻然后進(jìn)行涂覆的工藝，大大簡化了電極的制備 過程。
權(quán)利要求
1.含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)將至少一種過渡金屬鹽與至少一種含氮聚合物溶于溶劑，形成前軀體溶液；(2)將前軀體溶液通過靜電紡絲得到有機(jī)納米纖維；(3)將有機(jī)納米纖維在基本惰性氣氛下加熱碳化，得到含過渡金屬與氮元素的碳納米 纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維的制備方法，其特征在 于步驟(1)中前軀體溶液中還含有模板劑，將至少一種過渡金屬鹽、一種模板劑與至 少一種含氮聚合物溶于溶劑，形成前軀體溶液，前軀體溶液經(jīng)步驟(2)紡絲得到有機(jī)納 米纖維，有機(jī)納米纖維經(jīng)步驟(3)在基本惰性氣氛下加熱碳化后，得到的碳納米纖維含 過渡金屬與氮元素，還含有模板劑和/或分解后的模板劑，再采用步驟(4)將加熱碳化 后的碳納米纖維浸泡于酸性或堿性溶液中清洗以去除模板劑和/或分解后的模板劑，再 過濾、洗滌，從而得到含過渡金屬與氮元素的多孔碳納米纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維的制備方法，其特征在于 所述的模板劑選自(1)鎂、鈣或鋁至少一種金屬的氯化物、氫氧化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、碳酸鹽、 磷酸鹽、亞磷酸鹽、硫酸鹽、亞硫酸鹽、乙酸鹽或草酸鹽中的一種或它們的組合；或(2)氧化硅；或(3)上述⑴和(2)的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于所述加熱碳化步驟如下將有 機(jī)纖維在由Ar、N2和H2至少一種氣體組成的氣氛中加熱至500°C以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于在步驟(3)的加熱碳化之前有 一個(gè)預(yù)氧化的過程將步驟(2)的有機(jī)納米纖維施加拉伸或壓力下，并在空氣中從室溫 升溫至200 300°C之間，然后再進(jìn)行加熱碳化，得到含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維 自支持膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于所述的過渡金屬鹽選自過渡金 屬的氯化物、溴化物、碘化物、氫氧化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽、亞磷 酸鹽、硫酸鹽、亞硫酸鹽、乙酸鹽、草酸鹽、乙酰丙酮鹽中的一種或多于一種，其中， 過渡金屬元素選自鐵、鈷、鎳、銅、銀、錳、鉻、釩、鈦、鉬、鎢中的一種或它們的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于所述的含氮聚合物包括聚丙烯 腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚吡咯、聚苯胺中的一種或它們的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于所述的溶劑為水、甲醇、乙 醇、異丙醇、丙酮、乙醚、正己烷、苯、甲苯、N-N 二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、三氯 甲烷中的一種或它們的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于所述的前軀體溶液中含氮聚合 物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在到30%之間，過渡金屬與含氮聚合物的質(zhì)量比在0.1%到10%之間。
10.含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維在燃料電池催化劑中的應(yīng)用，其特征在于將 權(quán)利要求5制備的含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維自支持膜，通過浸漬Nafion(S)溶液 后直接作為燃料電池電極使用；或者將權(quán)利要求1至9中任意一個(gè)權(quán)利要求所述方法制備的含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維形成粉末，再與Nafion 溶液混合后，涂覆在電極 上作為燃料電池催化電極使用；其中Nafion 的全稱是全氟磺酸樹脂。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于碳納米纖維及燃料電池催化劑技術(shù)領(lǐng)域的含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維的制備方法及其在燃料電池催化劑中的應(yīng)用。將至少一種過渡金屬鹽與至少一種含氮聚合物溶于溶劑，形成前軀體溶液；將前軀體溶液通過靜電紡絲得到有機(jī)納米纖維；將有機(jī)纖維在基本惰性氣氛下加熱碳化，得到含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維。納米纖維自支持膜，通過浸漬溶液后直接作為燃料電池電極使用；或者碳納米纖維形成粉末，再與溶液混合后，涂覆在電極上作為燃料電池催化電極使用；本發(fā)明的方法簡單，易操作，制備的含過渡金屬與氮元素的碳納米纖維對(duì)氧還原反應(yīng)表現(xiàn)出良好的催化活性。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102021677SQ20101050564
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者干林, 朱靜, 林裕真 申請(qǐng)人:清華大學(xué)