[發(fā)明專利]一種直接甲醇燃料電池催化劑及其制備方法

有效

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• 申請日: 2012-08-20
• 公開（公告）號: CN102810678A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發(fā)明（設計）人: 徐維林;孫秀娟;張玉微;邢巍
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春應用化學研究所
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B01J27/24
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權代理有限公司 11227
• 代理人: 趙青朵;李玉秋

技術領域

本發(fā)明屬于催化劑技術領域，尤其涉及一種直接甲醇燃料電池及其制備方法。

背景技術

燃料電池是一種能量轉換裝置，能夠通過發(fā)生在陽極和陰極的氧化還原反應將化學能轉化為電能，其具有操作溫度低、能量效率高、無電解質腐蝕等特點，是電化學和能源科學領域的一個研究熱點。燃料電池根據(jù)電解質的不同，可分為堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池及質子交換膜燃料電池。直接甲醇燃料電池是從質子交換膜燃料電池發(fā)展而來，具有功率密度高、能量轉化效率高和燃料便于攜帶與易于儲存等優(yōu)點，是一種理想的便攜式可移動能源。但是，其使用過程面臨一個嚴重的技術問題為甲醇透過問題，其嚴重阻礙了直接甲醇燃料電池的產(chǎn)業(yè)化進程。

解決甲醇滲透主要有兩種途徑：使用甲醇滲透率低的電解質膜和使用抗甲醇氧化的氧還原催化劑。直接甲醇燃料電池陰極催化劑可分為兩種：非貴金屬催化劑和Pt催化劑。其中，催化活性較高的氧還原催化劑為Pt催化劑。然而，金屬鉑的價格及來源短缺限制了Pt催化劑的應用，并且在氧化還原過程中Pt催化劑容易因一氧化碳毒化和甲醇氧化而失去活性。摻雜有過渡金屬及其氧化物的Pt合金催化劑同時具有鉑的高活性與過渡金屬的抗甲醇性，但是過渡金屬易發(fā)生溶解，并能遷移到陽極再沉積，占據(jù)電極表面的活性位點。

石墨碳具有較高的比表面積、良好的導電性和較佳的孔結構，因此廣泛用作催化劑的載體，同時石墨碳還可以通過多種方法進行改性，達到不同的效果。其中，通過摻雜氮或者硼元素可以改變材料的電子性質，并且氮摻雜碳材料作為非金屬氧還原催化劑已得到廣泛的應用，Dacheng?Wei等采用CVD法制備了氮摻雜石墨烯；Nan?Li等利用弧放電方法得到了氮摻雜的石墨烯材料，其中摻雜后的石墨碳材料能使結構發(fā)生變化，電導率提高，并且可作為還原催化劑；Qu等利用氣相沉積法制備了氮摻雜的石墨烯。由于氮摻雜碳材料不含金屬元素，因此可以有效解決甲醇滲透造成的催化劑氧化及一氧化碳中毒等問題，但其催化活性較差，并且石墨烯、碳納米管等碳材料制備方法復雜，成本較高。

發(fā)明內容

有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種直接甲醇燃料電池催化劑及其制備方法，該催化劑抗一氧化碳中毒、耐甲醇氧化同時具有良好的催化活性。

本發(fā)明提供了一種直接甲醇燃料電池催化劑，包括炭黑和摻雜在其中的氟和氮；

所述氟的含量為催化劑總重量的0.1%~20%；

所述氮的含量為催化劑總重量的0.1%~20%。

本發(fā)明提供了一種直接甲醇燃料電池催化劑的制備方法，包括以下步驟：

A）將炭黑與氟化銨混合，加熱進行高溫分解反應后，繼續(xù)加熱進行氟摻雜反應，得到氟摻雜的炭黑材料，所述炭黑與氟化銨的質量比為2.5~500:1；

B）將所述氟摻雜的炭黑材料與三聚氰胺混合，加熱進行高溫分解反應后，繼續(xù)加熱進行氮摻雜反應，得到直接甲醇燃料電池催化劑，所述氟摻雜的炭黑材料與三聚氰胺的質量比為1~660:1。

優(yōu)選的，所述步驟A中高溫分解反應的反應溫度為300℃~500℃，反應時間為0.5~7h。

優(yōu)選的，所述步驟A中氟摻雜反應的反應溫度為750℃~1000℃，反應時間為0.5~6h。

優(yōu)選的，所述步驟B中高溫分解反應的反應溫度為300℃~500℃，反應時間為0.5~7h。

優(yōu)選的，所述步驟B中氮摻雜反應的反應溫度為750℃~1000℃，反應時間為0.5~6h。

優(yōu)選的，所述步驟A具體為：

A1）將炭黑、氟化銨與水混合超聲20~40min，得到混合液；

A2）將所述混合液離心，干燥，得到混合物；

A3）將所述混合物加熱進行高溫分解反應后，繼續(xù)加熱進行氟摻雜反應，得到氟摻雜的炭黑材料。

優(yōu)選的，所述步驟A1還包括：

將所述混合液攪拌20~26h。

優(yōu)選的，所述步驟A2還包括：

將所述混合物研磨20~40min。

優(yōu)選的，所述步驟B具體為：

B1）將所述氟摻雜的炭黑材料與三聚氰胺混合研磨20~40min，得到粉末；

B2）將所述粉末加熱進行高溫分解反應后，繼續(xù)加熱進行氟摻雜反應，得到直接甲醇燃料電池催化劑。