制备非贵金属氢燃料电池负极材料的方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体而言，涉及制备非贵金属氢燃料电池负极材料的方法。
背景技术
燃料电池通过电化学反应将燃料的化学能转化为电能，是发展氢能经济的关键技术之一。氢燃料电池汽车具有高效、节能、环保等先进性能，也越来越受到人们的强烈关注。但是在真正实现商业化之前，氢燃料电池还必须解决价格昂贵的问题。由于氢燃料电池电极使用的是贵金属铂或铂基催化剂，因而导致其成本居高不下，越来越多的研究者开始对具有高活性和高稳定性的非贵金属催化剂进行研究，如金属氮碳催化剂、过渡金属硫化物、过渡金属氧化物、过渡金属碳化物和氮化物等。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题。为此，本发明的一个目的在于提出制备非贵金属氢燃料电池负极材料的方法，该方法采用价格低廉、资源丰富且催化活性良好的非贵金属电极材料代替贵金属铂，不仅可以显著降低原料成本，还能促进氢燃料电池的大规模应用。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种制备非贵金属氢燃料电池负极材料的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：
(1)将可溶性镍盐、氟化铵、尿素和水混合后进行水热反应，以便得到前驱体；
(2)在氨气气氛下对所述前驱体进行高温氮化处理，以便得到所述负极材料，
其中，所述水热反应的温度为100～135℃。
本发明上述实施例的制备非贵金属氢燃料电池负极材料的方法是以镍的氢氧化物为前驱体，在氨气气氛下通过中高温煅烧合成氮化镍作为氢燃料电池的负极材料，其中，与现有技术相比，该方法的反应温度更低，不仅制备条件更为温和，且操作简单、重复性好，可大规模生产，具有很强的实用性，而且制备得到的氮化镍可以为催化氢氧化反应提供较多的活性位点，相比于现有的镍基材料具有更好的氢气氧化活性和电位稳定性，可以替代铂和铂基催化剂作为电极材料使用，为解决铂基催化剂的高成本和资源匮乏等制约氢燃料电池产业化发展的瓶颈问题提供了新思路。
另外，根据本发明上述实施例的制备非贵金属氢燃料电池负极材料的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，所述镍盐中的镍与所述氟化铵和所述尿素的摩尔比为1：(4～5)：(10～15)。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，所述六水合硝酸镍和水的摩尔体积比为1mmol：(10～60)mL。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，所述镍盐为选自六水合硝酸镍、硫酸镍和氯化镍中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)进一步包括：对水热反应产物进行冷却、离心、洗涤和干燥。
在本发明的一些实施例中，采用乙醇和去离子水对离心产物交替洗涤2～4次，然后真空干燥12～24h。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，预先将所述镍盐、所述氟化铵、所述尿素和水的混合液于200～500r/min的转速下搅拌5～20min，再进行所述水热反应。
在本发明的一些实施例中，步骤(2)中，所述氨气的流速为100～150mL/min，所述高温氮化处理的温度为300～400℃。
在本发明的一些实施例中，步骤(2)中，将所述前驱体置于管式炉中，预先通入氨气排除管内空气，然后控制氨气流速为100～150mL/min，于5～10℃/min的速率下升温并在300～400℃下保持3～5h。
在本发明的一些实施例中，步骤(2)中，对所述前驱体进行高温氮化处理后滴加乙醇并自然冷却，以便得到所述负极材料。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例3制备得到的负极材料的扫描电镜图片；
图2是根据本发明实施例3制备得到的负极材料的X射线衍射图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种制备非贵金属氢燃料电池负极材料的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)将可溶性镍盐、氟化铵、尿素和水混合后进行水热反应，以便得到前驱体；(2)在氨气气氛下对前驱体进行高温氮化处理，以便得到负极材料，其中，水热反应的温度为100～135℃。该方法采用价格低廉、资源丰富且催化活性良好的非贵金属电极材料代替贵金属铂，不仅可以显著降低原料成本，还能促进氢燃料电池的大规模应用。
下面对本发明上述实施例的制备非贵金属氢燃料电池负极材料的方法进行详细描述。
(1)将可溶性镍盐、氟化铵、尿素和水混合后进行水热反应得到前驱体
根据本发明的实施例，通过将可溶性镍盐、氟化铵、尿素和水混合后进行水热反应可以制备得到含镍的氢氧化物前躯体，具体可以为Ni(OH)2，其中，水热反应的温度为100～135℃，例如可以为100℃、110℃、120℃、130℃或135℃等，发明人发现，水热反应的温度过高或者过低都会影响前驱体的形貌结构及其晶化程度，具体地，若水热反应的温度过高，形成的前驱体颗粒较大，且团聚现象严重，而若水热反应温度过低，又会导致前驱体晶化程度降低，本发明中通过控制上述水热反应温度范围，可以进一步改善前驱体的形貌结构及其晶化程度，从而更有利于提高最终制备得到的负极材料的稳定性。
根据本发明的一个具体实施例，本发明中可溶性镍盐的类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只需能够提供镍离子即可。例如，可溶性镍盐可以为选自六水合硝酸镍、硫酸镍和氯化镍中的至少一种等。
根据本发明的再一个具体实施例，镍盐中的镍与氟化铵和尿素的摩尔比可以为1：(4～5)：(10～15)，发明人发现，投料比不仅直接影响前驱体能否形成，还会影响水热反应的速率、转化率和制备得到的前驱体的晶体形貌及晶化程度，通过控制氟化铵和尿素与镍盐为上述摩尔比范围不仅更有利于水热反应的顺利进行，提高反应速率及转化率，还能改善前驱体的晶体形貌及晶化程度，得到颗粒大小更为均匀的前驱体；优选地，镍盐中的镍与氟化铵和尿素的摩尔比可以为1：(4～5)：(10.5～15)，由此可以进一步促进水热反应的进行，确保在100～135℃的水热条件下可以快速合成表面形貌更好且晶化程度更高的前驱体。进一步地，将可溶性镍盐、氟化铵、尿素和水混合时，六水合硝酸镍和水的摩尔体积比可以为1mmol：(10～60)mL，优选1mmol：(30～40)mL，发明人发现，通过控制上述摩尔比范围，不仅可以进一步促进水热反应的快速进行，还能进一步改善制备得到的前驱体的表面形貌及晶化程度。
根据本发明的又一个具体实施例，水热反应后可以进一步包括：对水热反应产物进行冷却、离心、洗涤和干燥。由此可以更有利于获得稳定单一的负极材料。其中，可以采用乙醇和去离子水对离心产物交替洗涤2～4次，然后真空干燥12～24h，相较于单独采用乙醇或单独采用去离子水清洗，采用乙醇和去离子水对离心产物交替洗涤可以显著提高杂质离子和有机物的去除率，从而更有利于制备得到稳定单一的负极材料。
根据本发明的又一个具体实施例，可以预先将镍盐、氟化铵、尿素和水的混合液于200～500r/min的转速下搅拌5～20min，再进行水热反应，由此可以得到更为均一、稳定的混合溶液，从而能够进一步改善前驱体的表面形貌及晶化程度，并得到颗粒大小更为均一的前驱体。
(2)在氨气气氛下对前驱体进行高温氮化处理得到负极材料
根据本发明的一个具体实施例，氨气的流速可以为100～150mL/min，例如可以为100mL/min、120mL/min、130mL/min、140mL/min或150mL/min等，高温氮化处理的温度可以为300～400℃，例如可以为300℃、310℃、320℃、330℃、340℃、350℃、360℃、370℃或400℃等，发明人发现，氨气的流速及氮化处理的温度对最终制备得到的负极材料的性能具有显著影响，若氨气的流速过小，则氮化不充分，无法得到单一的稳定相。若氨气的流速过大，尾气无法较快得到处理，会导致有害气体排入空气中。若高温氮化处理的温度过低，影响负极材料氮化镍的产率及生产效率，而若高温氮化处理的温度过高，又会导致生成的纳米颗粒发生严重团聚，最终影响负极材料的综合性能。本发明中通过控制上述氮化处理条件，可以进一步有利于形成稳定、单一的氮化镍负极材料。
根据本发明的再一个具体实施例，可以将前驱体置于管式炉中，预先通入氨气排除管内空气，然后控制氨气流速为100～150mL/min，于5～10℃/min的速率下升温并在300～400℃下保持3～5h，通过预先对炉管进行排空处理，可以进一步避免最终制备得到的负极材料被氧化，确保最终制备得到的氮化镍负极材料为稳定的单一相。
根据本发明的又一个具体实施例，对前驱体进行高温氮化处理后可以滴加乙醇并自然冷却，由此可以在负极材料表面形成一层钝化膜，降低负极材料与空气的反应活性，避免负极材料因与空气直接接触而发生氧化或其它活化反应，从而进一步确保最终制备得到的氮化镍负极材料为稳定的单一相，保证负极材料具有优异的电化学性能。
综上所述，本发明上述实施例的制备非贵金属氢燃料电池负极材料的方法是以镍的氢氧化物为前驱体，在氨气气氛下通过中高温煅烧合成氮化镍作为氢燃料电池的负极材料，其中，与现有技术相比，该方法的反应温度更低，不仅制备条件更为温和，且操作简单、重复性好，可大规模生产，具有很强的实用性，而且制备得到的氮化镍可以为催化氢氧化反应提供较多的活性位点，相比于现有的镍基材料具有更好的氢气氧化活性和电位稳定性，可以替代铂和铂基催化剂作为电极材料使用，为解决铂基催化剂的高成本和资源匮乏等制约氢燃料电池产业化发展的瓶颈问题提供了新思路。
下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
1)分别取2.5mmol的硫酸镍，10mmol氟化铵和25mmol尿素加入到40mL去离子水中；
2)控制磁力搅拌速率为300r/min，搅拌时间为10min，然后进行水热反应，其中，水热反应温度保持在100℃，反应时间为20h；
3)对水热反应产物采用乙醇和去离子水交替洗涤三次，然后真空干燥24h，得到前驱体；
4)将得到的前驱体置于坩埚中，放入管式炉中，预先通入氨气排除管内空气，后控制升温速率为10℃/min，氨气流速为100mL/min，于350℃下保持3h；
5)待管式炉自然冷却至室温，向坩埚中滴加少量的乙醇使材料表面钝化，得到负极材料。
实施例2
1)分别取2.5mmol的氯化镍，12.5mmol氟化铵和30mmol尿素加入到40mL去离子水中；
2)控制磁力搅拌速率为300r/min，搅拌时间为10min，然后进行水热反应，其中，水热反应温度保持在130℃，反应时间为15h；
3)对水热反应产物采用乙醇和去离子水交替洗涤三次，然后真空干燥24h，得到前驱体；
4)将得到的前驱体置于坩埚中，放入管式炉中，预先通入氨气排除管内空气，后控制升温速率为10℃/min，氨气流速为130mL/min，于300℃下保持2h；
5)待管式炉自然冷却至室温，向坩埚中滴加少量的乙醇使材料表面钝化，得到负极材料。
实施例3
1)分别取2.5mmol的六水合硝酸镍，10mmol氟化铵和25mmol尿素加入到40mL去离子水中；
2)控制磁力搅拌速率为300r/min，搅拌时间为10min，然后进行水热反应，其中，水热反应温度保持在135℃，反应时间为10h；
3)对水热反应产物采用乙醇和去离子水交替洗涤三次，然后真空干燥24h，得到前驱体；
4)将得到的前驱体置于坩埚中，放入管式炉中，预先通入氨气排除管内空气，后控制升温速率为5℃/min，氨气流速为150mL/min，于350℃下保持3h；
5)待管式炉自然冷却至室温，向坩埚中滴加少量的乙醇使材料表面钝化，得到负极材料。
其中，图1为实施例3所制备的最终产物氮化镍的形貌结构图，由图1可知，所制备的氮化镍为纳米颗粒，直径约50～70nm，颗粒分散均匀，大小均一，没有出现大的团聚现象。图2为实施例3所制备的最终产物氮化镍的X射线衍射图，从图中可以看出，XRD的峰又强又尖，说明产物具有很好的晶化度，热稳定性很好。
实施例4
1)分别取2.5mmol的六水合硝酸镍，10mmol氟化铵和37.5mmol尿素加入到60mL去离子水中；
2)控制磁力搅拌速率为300r/min，搅拌时间为10min，然后进行水热反应，其中，水热反应温度保持在120℃，反应时间为10h；
3)对水热反应产物采用乙醇和去离子水交替洗涤三次，然后真空干燥24h，得到前驱体；
4)将得到的前驱体置于坩埚中，放入管式炉中，预先通入氨气排除管内空气，后控制升温速率为5℃/min，氨气流速为120mL/min，于330℃下保持3h；
5)待管式炉自然冷却至室温，向坩埚中滴加少量的乙醇使材料表面钝化，得到负极材料。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
