[發(fā)明專利]碳載四氧化三錳復(fù)合催化材料及制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010255080.7
• 申請日: 2010-08-17
• 公開（公告）號: CN101901916A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周德壁
• 申請（專利權(quán)）人: 天津久聚能源科技發(fā)展有限公司
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 天津市三利專利商標(biāo)代理有限公司 12107
• 代理人: 肖莉麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電化學(xué)領(lǐng)域，更具體的說，是涉及一種用于燃料電池的空氣電極氧還原反應(yīng)碳載四氧化三錳復(fù)合催化材料及其制備方法。

背景技術(shù)

[0002]?氧的電化學(xué)還原是所有類型的燃料電池的陰極反應(yīng)，氧還原電極反應(yīng)動力學(xué)緩慢，為了實(shí)際應(yīng)用，制備空氣電極時(shí)需要加入催化材料。目前空氣電極催化材料主要采用鉑類貴金屬或者鈷、鎳類過渡金屬，較為昂貴。為實(shí)現(xiàn)燃料電池商業(yè)化，研究低成本的催化材料具有重要意義。

錳是一種資源豐富、價(jià)格低廉的金屬元素，錳的氧化物如二氧化錳對氧還原顯示催化性能，已得到研究。四氧化三錳（Mn₃O₄）是一種重要的磁性材料，針對磁性材料的應(yīng)用已經(jīng)開發(fā)了多種制備方法并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，有高價(jià)錳氧化法、碳酸錳法、硫酸錳法、錳礦法和金屬錳法等。在這么多制備方法中一般都會面臨成本問題、工藝問題、顆粒大小問題等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明將廉價(jià)的四氧化三錳應(yīng)用于氧還原催化，提供一種原材料資源廣泛，成本低，且性能優(yōu)良，穩(wěn)定性好的氧還原反應(yīng)空氣電極催化材料。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種簡單，生產(chǎn)效率高，適于工業(yè)化生產(chǎn)的碳載四氧化三錳復(fù)合催化材料的制備方法。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種用于燃料電池空氣電極的碳載四氧化三錳復(fù)合催化材料，其特征在于，該催化材料以碳黑為載體，催化活性成分為Mn₃O₄，該催化材料中，按質(zhì)量百分比碳黑為50-93.7%，Mn₃O₄為6.3-50%。?

所述碳黑為VulcanXC-72或者VulcanXC-72與活性炭按質(zhì)量比為1:?1的混合物或者VulcanXC-72與乙炔黑按質(zhì)量比為1:?1的混合物。

一種用于燃料電池空氣電極的碳載四氧化三錳復(fù)合催化材料的制備方法，其特征在于，包括下述步驟：

（1）將硝酸錳加入蒸餾水制成硝酸錳溶液；

（2）將碳黑加入到上述硝酸錳溶液中，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，靜置使硝酸錳充分吸附在碳黑上，一般需要0.5-1小時(shí)；之后在恒溫80℃下干燥；

（3）?將干燥后的粉末在研缽中研磨，之后升溫至400℃恒溫3h；然后取出、研磨，得到碳載Mn₃O₄復(fù)合催化材料，該催化材料中，按質(zhì)量百分比碳黑為70-93.7%，Mn₃O₄為6.3-30%。

其中，碳黑最好選用酸預(yù)處理或堿預(yù)處理的碳黑。

所述酸預(yù)處理的過程為：將碳黑放入濃度為65%的濃硝酸中浸泡24h，過濾去除溶液后用大量去離子水清洗，然后80℃干燥、研磨成粉狀得到預(yù)處理的碳黑。

所述堿預(yù)處理的過程為：將碳黑放入濃度為33%的KOH溶液中浸泡24h，過濾去除溶液后用大量去離子水清洗，然后80℃干燥、研磨成粉狀得到預(yù)處理的碳黑。

本發(fā)明具有下述技術(shù)效果：

（1）本發(fā)明的催化材料的制備方法以碳黑為載體，直接將碳黑材料加入到反應(yīng)物體系一起高溫?zé)峤?，一步得到了碳載Mn₃O₄復(fù)合催化材料，制備方法簡單，生產(chǎn)效率高，適于工業(yè)化生產(chǎn)。?

（2）本發(fā)明得到的碳載Mn₃O₄復(fù)合催化材料的氧還原催化性能優(yōu)異，在較大電流密度下，能輸出較大工作電壓，穩(wěn)定性好。經(jīng)過試驗(yàn)，在堿性介質(zhì)空氣氣氛中，-0.2V?vs.?Hg/HgO電位下，氧還原的電流密度達(dá)到115.8?mA·cm^-2。?

（3）生產(chǎn)本發(fā)明的催化材料所用原材料資源廣泛，價(jià)格低廉，能夠降低生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1、催化材料含量為15%的碳載Mn₃O₄復(fù)合催化材料的TEM圖；

圖2、催化材料含量為15%的碳載Mn₃O₄復(fù)合催化材料的XRD圖；

圖3、不同催化材料含量電極的氧還原催化性能比較；

圖3中編號對應(yīng)催化材料的含量：

曲線(a)6.3%

曲線(b)15%?

曲線(c)30%?

曲線(d)50%

圖4、不同方法處理的VulcanXC-72作為載體的碳載Mn₃O₄復(fù)合催化材料制成電極的極化曲線；?

圖4中編號對應(yīng)預(yù)處理的方法為：