[發(fā)明專利]一種燃料電池陰極催化劑P-MCNTs及其制備方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010509057.6
• 申請(qǐng)日: 2010-10-15
• 公開（公告）號(hào): CN102005581A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉滋武;彭峰;王紅娟;余皓;楊劍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/90
• 分類號(hào): H01M4/90;H01M4/88;B01J27/14
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種燃料電池催化劑，具體涉及一種燃料電池陰極催化劑P-MCNTs及其制備方法。

背景技術(shù)

燃料電池作為一種清潔、高效而且性能穩(wěn)定的電源技術(shù)，已受到世界各國(guó)的高度重視。其中電池中陰極的氧還原反應(yīng)是影響燃料電池性能的最重要的因素之一，而氧還原的關(guān)鍵問題是陰極催化劑的催化活性、穩(wěn)定性、耐滲透性及成本的高低。

作為陰極氧還原活性催化劑，貴金屬鉑及鉑基催化劑已引起人們廣泛的注意，但存在成本較高、資源相對(duì)匱乏、耐燃料的滲透性能較差(特別是耐甲醇性能差)且其負(fù)載在一些載體上如納米碳管容易脫落而很不穩(wěn)定，同時(shí)存在著易中毒，從而導(dǎo)致催化劑的使用壽命短等利用率低的問題而使燃料電池難以大規(guī)模的應(yīng)用。與此同時(shí)作為陰極氧還原活性催化劑，金屬金也受到人們的較大地關(guān)注，但該催化劑同樣存在成本較高的問題而限制燃料電池的應(yīng)用。

為降低氧還原催化劑的成本，化學(xué)工作者開始把注意力轉(zhuǎn)向價(jià)格相對(duì)比較低廉的非貴金屬催化劑，主要表現(xiàn)為以下兩種情況：一是向貴金屬中添加一定量的非貴金屬，來降低貴金屬的使用量，同時(shí)盼望貴金屬與非貴金屬的協(xié)同作用來提高催化活性；二是采用過渡非貴金屬完全替代貴金屬。這方面的研究雖已取得一定的進(jìn)展，但由于所采用的非貴金屬活動(dòng)性比較強(qiáng)，往往會(huì)參與電極反應(yīng)而表現(xiàn)得很不穩(wěn)定性，使用壽命低，利用率較差。

為改變?nèi)剂想姵亟饘俅呋瘎┧嬖诘膯栴}，目前已有很多的研究者把目光轉(zhuǎn)向非金屬催化劑，并取得一定的進(jìn)展，如用碳納米管作燃料電池的陰極催化劑，成本相對(duì)較低且有石墨碳組成的碳納米管也很穩(wěn)定，又如有的研究者在碳納米管中摻雜氮原子，由于該摻氮碳納米管在堿性條件下的氧還原催化活性、穩(wěn)定性、耐燃料滲透性都明顯高于貴金屬催化劑，且其生產(chǎn)成本也相對(duì)較低，而受到人們極大的關(guān)注。

磷作為非金屬元素與氮元素在元素周期表中處于同一主族，具有相同的價(jià)電子數(shù)，盡管磷原子的原子半徑明顯大于碳原子和氮原子的半徑，理論和實(shí)驗(yàn)都已證明磷原子可以摻入納米碳管的晶格網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之中，那么摻磷納米碳管也應(yīng)像摻氮納米碳管一樣，在堿性燃料電池中對(duì)氧還原有較高的催化活性。目前，關(guān)于磷摻雜多壁碳納米管用于燃料電池陰極催化劑的研究還未見報(bào)導(dǎo)。為此申請(qǐng)人進(jìn)行了磷摻雜多壁碳納米管(P-MCNTs)的制備和其氧還原催化活性研究，結(jié)果表明P-MCNTs在酸性和堿性介質(zhì)中的氧還原催化活性、穩(wěn)定性、耐燃料滲透性都明顯高于貴金屬催化劑。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有貴金屬氧還原催化劑的缺點(diǎn)和促進(jìn)燃料電池的進(jìn)一步應(yīng)用，提供一種燃料電池陰極催化劑P-MCNTs及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下。

一種燃料電池陰極催化劑P-MCNTs，其活性組分為磷原子摻雜的碳納米管該催化劑中磷的含量為：0.2wt％-5.0wt％。

上述P-MCNTs催化劑采用化學(xué)氣相沉積法來制備，1)將底部鋪有固體催化劑FeMo/Al₂O₃的石英舟放入管式爐中的石英管的高溫部分，在氬氣惰性氣體的保護(hù)下，將石英管高溫部分的溫度升高到反應(yīng)溫度；

2)在容器瓶中加入甲苯，再加入三苯基磷和二茂鐵，待三苯基磷和二茂鐵完全溶解后，在氬氣保護(hù)下，通過恒流泵將溶解后得到的混合溶液注入石英管，溶液氣化后被氬氣帶到高溫區(qū)，在固體催化劑FeMo/Al₂O₃和氣相催化劑二茂鐵的共同作用下，開始生長(zhǎng)磷摻雜多壁碳納米管；

3)待溶液完全注入后，在氬氣保護(hù)下將石英管冷卻到室溫，從石英舟中取出樣品，得到制備的燃料電池陰極催化劑P-MCNTs；

上述固體催化劑FeMo/Al2O3與甲苯的質(zhì)量體積比為1g∶40～120mL，三苯基磷的用量為1～12wt％甲苯，二茂鐵的用量為7～8wt％甲苯。

上述的制備方法中，所述反應(yīng)溫度為700-900℃。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

(1)采用磷摻雜多壁納米碳管(P-MCNTs)為堿性燃料電池陰極催化劑，其氧還原催化活性、穩(wěn)定性、耐燃料滲透性都明顯高于目前最常用的貴金屬催化劑。既可用于堿性燃料電池，也可用于酸性燃料電池。

(2)該催化劑制備方法簡(jiǎn)單，相對(duì)貴金屬催化劑成本低廉且容易擴(kuò)大生產(chǎn)；且在堿性條件下氧還原的電催化活性高，該催化劑的開發(fā)有望促進(jìn)堿性燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用。

(3)與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的燃料電池陰極催化劑P-MCNTs的制備方法簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低、操作可控性強(qiáng)且氧還原催化活性高。

附圖說明