利用秸秆制备质子交换膜燃料电池气体扩散电极的方法

摘要

本发明公开了一种利用秸秆制备质子交换膜燃料电池气体扩散电极的方法,以秸秆为原料，经过铁的前驱体溶液浸渍和晾干后，采用热压法在保护气体气氛下一次性原位合成含有Fe‑N‑C非铂催化剂的气体扩散电极，本发明方法实施可靠，节约成本，并且能够将秸秆的价值最大化的利用，避免不必要的浪费。

权利要求

1.一种利用秸秆制备质子交换膜燃料电池气体扩散电极的方法,其特征在于：以秸秆为原料，经过铁的前驱体溶液浸渍和晾干后，采用热压法在保护气体气氛下一次性原位合成含有Fe-N-C非铂催化剂的气体扩散电极；

具体包括以下步骤：

（1）将秸秆切割成长度为5～10cm、宽度为0.1～1cm的秸秆短条；

（2）将上述的秸秆短条制成秸秆网；

（3）将上述的秸秆网浸渍在铁的前驱体溶液中，浸渍处理时间为10～90min；

（4）将处理完毕的秸秆网取出进行晾干；

（5）取3～10层上述晾干后的秸秆网进行叠加后置于热压机中，同时在热压机中通入保护气体，使秸秆网在保护气体气氛下以1～5Mpa压力、200～500℃的温度下进行热压15～

120min，压制完毕后即可得到含有Fe-N-C非铂催化剂的气体扩散电极。

2.根据权利要求1所述的利用秸秆制备质子交换膜燃料电池气体扩散电极的方法，其特征在于：所述的秸秆包括小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、甘蔗茎叶、棉花秸秆、油菜秸秆、甘薯藤、马铃薯藤中的一种以上。

3.根据权利要求1所述的利用秸秆制备质子交换膜燃料电池气体扩散电极的方法，其特征在于：所述的铁的前驱体溶液的浓度为0.01～5mol/L。

4.根据权利要求1所述的利用秸秆制备质子交换膜燃料电池气体扩散电极的方法，其特征在于：所述的铁的前驱体溶液为硝酸铁、氯化铁、草酸铁、二茂铁甲醇、二茂铁甲酸、硫化亚铁、草酸高铁铵、草酸亚铁、乙基二茂铁、乙酰丙酮铁、硫酸高铁铵、硫酸亚铁铵、双乙酰基二茂铁、苯甲酰基二茂铁、乙烯基二茂铁、正丁基二茂铁、三氟甲磺酸铁、丁酰基二茂铁中的一种以上混合组成。

5.根据权利要求1所述的利用秸秆制备质子交换膜燃料电池气体扩散电极的方法，其特征在于：所述的保护气体为氮气、氩气、氦气中的一种以上混合组成。

6.根据权利要求1所述的利用秸秆制备质子交换膜燃料电池气体扩散电极的方法，其特征在于：所述的步骤（2）将秸秆短条制成秸秆网的方法为编织或压制成型。

说明书

利用秸秆制备质子交换膜燃料电池气体扩散电极的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及燃料电池电极领域，尤其是一种利用秸秆制备质子交换膜燃料电池气体扩散电极的方法。

背景技术

[0002] 质子交换膜燃料电池具有效率高、低污染等优点，因此被认为是理想的能源转换方式之一。近几十年来，质子交换膜燃料电池受到政府、企业和科研机构的高度关注，得到了极大的发展，但质子交换膜燃料电池主要以贵金属铂及铂基合金作为催化剂，铂高昂的价格极大地限制了质子交换膜燃料电池的商业化，非铂催化剂以及含有非铂催化剂的气体扩散电极的研究正在兴起。

[0003] 近年来的研究发现，含有铁(Fe)、氮(N)、碳(C)三种元素的催化剂显示出了可与铂催化剂相媲美的氧还原反应(ORR)活性，制成非铂催化剂以及含有非铂催化剂的气体扩散电极后有望取代铂应用于质子交换膜燃料电池阴极气体扩散电极。

[0004] 我国是一个农业大国，每年产生大量的秸秆，随着经济社会的发展，农村越来越少地使用秸秆作为生活燃料，而选择就地焚烧堆肥的方式处理秸秆，这不仅带来了极大的环境危害，也使得秸秆资源的价值没有得到充分的利用。由于秸秆中含有丰富的C、N、H、O元素（约占秸秆总质量的75%），这些元素组成的纤维素、半纤维素、木质素等有机物纤维是秸秆的主要成分，因此将秸秆碳化后可适用于制备质子交换膜燃料电池的非铂气体扩散电极。

发明内容

[0005] 为了解决现有技术的不足，本发明提供一种制备成本低、方法简单且可操作性强的利用秸秆制备质子交换膜燃料电池气体扩散电极的方法。

[0006] 为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案为：一种利用秸秆制备质子交换膜燃料电池气体扩散电极的方法,其过程为：以秸秆为原料，经过铁的前驱体溶液浸渍和晾干后，采用热压法在保护气体气氛下一次性原位合成含有Fe-N-C非铂催化剂的气体扩散电极。

[0007] 进一步的，其具体包括以下步骤：

[0008] （1）将秸秆切割成长度为5～10cm、宽度为0.1～1cm的秸秆短条；

[0009] （2）将上述的秸秆短条制成秸秆网；

[0010] （3）将上述的秸秆网浸渍在铁的前驱体溶液中，浸渍处理时间为10～90min；

[0011] （4）将处理完毕的秸秆网取出进行晾干；

[0012] （5）取3～10层上述晾干后的秸秆网进行叠加后置于热压机中，同时在热压机中通入保护气体，使秸秆网在保护气体气氛下以1～5Mpa压力、200～500℃的温度下进行热压15～120min，压制完毕后即可得到含有Fe-N-C非铂催化剂的气体扩散电极。

[0013] 进一步的，所述的秸秆包括小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、甘蔗茎叶、棉花秸秆、油菜秸秆、甘薯藤、马铃薯藤中的一种或一种以上。

[0014] 进一步的，所述的铁的前驱体溶液的浓度为0.01～5mol/L。

[0015] 进一步的，所述的铁的前驱体溶液为硝酸铁、氯化铁、草酸铁、二茂铁甲醇、二茂铁甲酸、硫化亚铁、草酸高铁铵、草酸亚铁、乙基二茂铁、乙酰丙酮铁、硫酸高铁铵、硫酸亚铁铵、双乙酰基二茂铁、苯甲酰基二茂铁、乙烯基二茂铁、正丁基二茂铁、三氟甲磺酸铁、丁酰基二茂铁中的一种或一种以上混合组成。

[0016] 进一步的，所述的保护气体为氮气、氩气、氦气中的一种或一种以上混合组成。

[0017] 进一步的，所述的步骤（2）将秸秆短条制成秸秆网的方法为编织或压制成型。

[0018] 通过上述的技术方案，本发明的有益效果为：通过以秸秆为制备原料，将其浸渍于铁的前驱体溶液后再进行取出晾干，使铁的前驱体溶液负载在秸秆表面，在保护气体的气氛下将负债有铁的前驱体的秸秆进行热压，使铁的前驱体发生分解，铁原子与秸秆表面紧密贴合，并在秸秆碳化过程中与碳、氮元素发生符合，形成Fe-N-C非铂催化剂，由于热压过程中秸秆发生碳化并伴随一氧化碳等气体的生成与扩散，最终秸秆形成多孔网格结构，适于气体氧化剂的扩散流通。

附图说明

[0019] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述：

[0020] 图1为本发明以秸秆制备质子交换膜燃料电池非铂催化剂气体扩散电极的制备流程示意图。

具体实施方式

[0021] 如图1所示，本发明方法以秸秆为原料，经过铁的前驱体溶液浸渍和晾干后，采用热压法在保护气体气氛下一次性原位合成含有Fe-N-C非铂催化剂的气体扩散电极。

[0022] 进一步的，其具体包括以下步骤：

[0023] （1）将秸秆切割成长度为5～10cm、宽度为0.1～1cm的秸秆短条；

[0024] （2）将上述的秸秆短条制成秸秆网；

[0025] （3）将上述的秸秆网浸渍在铁的前驱体溶液中，浸渍处理时间为10～90min；

[0026] （4）将处理完毕的秸秆网取出进行晾干；

[0027] （5）取3～10层上述晾干后的秸秆网进行叠加后置于热压机中，同时在热压机中通入保护气体，使秸秆网在保护气体气氛下以1～5Mpa压力、200～500℃的温度下进行热压15～120min，压制完毕后即可得到含有Fe-N-C非铂催化剂的气体扩散电极。

[0028] 进一步的，所述的秸秆包括小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、甘蔗茎叶、棉花秸秆、油菜秸秆、甘薯藤、马铃薯藤中的一种或一种以上。

[0029] 进一步的，所述的铁的前驱体溶液的浓度为0.01～5mol/L。

[0030] 进一步的，所述的铁的前驱体溶液为硝酸铁、氯化铁、草酸铁、二茂铁甲醇、二茂铁甲酸、硫化亚铁、草酸高铁铵、草酸亚铁、乙基二茂铁、乙酰丙酮铁、硫酸高铁铵、硫酸亚铁铵、双乙酰基二茂铁、苯甲酰基二茂铁、乙烯基二茂铁、正丁基二茂铁、三氟甲磺酸铁、丁酰基二茂铁中的一种或一种以上混合组成。

[0031] 进一步的，所述的保护气体为氮气、氩气、氦气中的一种或一种以上混合组成。

[0032] 进一步的，所述的步骤（2）将秸秆短条制成秸秆网的方法为编织或压制成型。

[0033] 实施例1

[0034] （1）将小麦秸秆切割成长度为10cm、宽度为1cm的小麦秸秆短条；

[0035] （2）将上述的小麦秸秆短条编织制成小麦秸秆网；

[0036] （3）将上述的小麦秸秆网浸渍在浓度为3mol/L的草酸高铁铵溶液中，浸渍处理70min；

[0037] （4）将处理完的小麦秸秆网从草酸高铁铵溶液中取出进行晾干；

[0038] （5）取3层上述晾干后的小麦秸秆网进行叠加后置于热压机中，同时在热压机中通入氮气，使小麦秸秆网在氮气的保护气氛下以3Mpa压力、300℃的温度下进行热压100min，压制完毕后即可得到含有Fe-N-C非铂催化剂的气体扩散电极。

[0039] 实施例2

[0040] （1）将水稻秸秆切割成长度为8cm、宽度为0.5cm的水稻秸秆短条；

[0041] （2）将上述的水稻秸秆短条编织制成水稻秸秆网；

[0042] （3）将上述的水稻秸秆网浸渍在浓度为3mol/L的硝酸铁溶液中，浸渍处理80min；

[0043] （4）将处理完的水稻秸秆网从草酸高铁铵溶液中取出进行晾干；

[0044] （5）取6层上述晾干后的水稻秸秆网进行叠加后置于热压机中，同时在热压机中通入氦气，使水稻秸秆网在氦气的保护气氛下以4Mpa压力、400℃的温度下进行热压90min，压制完毕后即可得到含有Fe-N-C非铂催化剂的气体扩散电极。

[0045] 实施例3

[0046] （1）将棉花秸秆切割成长度为5cm、宽度为0.1cm的棉花秸秆短条；

[0047] （2）将上述的玉米秸秆短条编织制成棉花秸秆网；

[0048] （3）将上述的棉花秸秆网浸渍在浓度为1mol/L的草酸高铁铵溶液中，浸渍处理90min；

[0049] （4）将处理完的棉花秸秆网从草酸高铁铵溶液中取出进行晾干；

[0050] （5）取4层上述晾干后的棉花秸秆网进行叠加后置于热压机中，同时在热压机中通入氩气，使棉花秸秆网在氩气的保护气氛下以5Mpa压力、460℃的温度下进行热压50min，压制完毕后即可得到含有Fe-N-C非铂催化剂的气体扩散电极。

[0051] 实施例4

[0052] （1）将油菜秸秆切割成长度为6cm、宽度为0.6cm的油菜秸秆短条；

[0053] （2）将上述的小麦秸秆短条编织制成油菜秸秆网；

[0054] （3）将上述的油菜秸秆网浸渍在浓度为0.01mol/L的苯甲酰基二茂铁溶液中，浸渍处理10min；

[0055] （4）将处理完的油菜秸秆网从苯甲酰基二茂铁溶液中取出进行晾干；

[0056] （5）取10层上述晾干后的油菜秸秆网进行叠加后置于热压机中，同时在热压机中通入氮气与氦气体积比为1:1的混合气体，使油菜秸秆网在氮气和氦气的保护气氛下以1Mpa压力、200℃的温度下进行热压120min，压制完毕后即可得到含有Fe-N-C非铂催化剂的气体扩散电极。

[0057] 实施例5

[0058] （1）将甘薯藤秸秆切割成长度为7cm、宽度为0.7cm的甘薯藤秸秆短条；

[0059] （2）将上述的甘薯藤秸秆短条压制制成甘薯藤秸秆网；

[0060] （3）将上述的甘薯藤秸秆网浸渍在浓度为5mol/L的乙酰丙酮铁溶液中，浸渍处理60min；

[0061] （4）将处理完的甘薯藤秸秆网从乙酰丙酮铁溶液中取出进行晾干；

[0062] （5）取7层上述晾干后的甘薯藤秸秆网进行叠加后置于热压机中，同时在热压机中通入氩气与氦气体积比为1：1的混合气体，使甘薯藤秸秆网在氩气和氦气的保护气氛下以2Mpa压力、500℃的温度下进行热压15min，压制完毕后即可得到含有Fe-N-C非铂催化剂的气体扩散电极。

[0063] 实施例6

[0064] （1）将小麦秸秆和水稻秸秆切割成长度为10cm、宽度为1cm的小麦秸秆短条；

[0065] （2）将上述的小麦秸秆短条编织制成秸秆网；

[0066] （3）将上述的秸秆网浸渍在浓度为2mol/L的二茂铁甲醇溶液中，浸渍处理30min；

[0067] （4）将处理完的秸秆网从二茂铁甲醇溶液中取出进行晾干；

[0068] （5）取8层上述晾干后的小麦秸秆网进行叠加后置于热压机中，同时在热压机中通入氮气，使小麦秸秆网在氮气的保护气氛下以1.5Mpa压力、480℃的温度下进行热压60min，压制完毕后即可得到含有Fe-N-C非铂催化剂的气体扩散电极。

[0069] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。