[發明專利]八面體形貌金屬氧化物在燃料電池中的應用

無效

• 申請號: 201210326413.X
• 申請日: 2012-09-05
• 公開（公告）號: CN102849683A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發明（設計）人: 楊維慎;劉煥英;朱雪峰;叢鈾;劉妍
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C01B13/14
• 分類號: C01B13/14;C01G51/04;C01G45/02;C01G49/08;C01G53/04;H01M4/90
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 張晨

技術領域

本發明涉及八面體形貌金屬氧化物的應用，特別涉及八面體形貌金屬氧化物在燃料電池中的應用。

背景技術

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置，最早于1839年由英國的Grove所發明。由于其具有能量轉換效率高、環境友好、積木化強等優勢，燃料電池被稱之為21世紀清潔、友好的綠色發電技術。燃料電池包括電解質和陰、陽電極三部分。在陰極側發生氧分子參與的還原反應，一般情況下把陰極反應直接簡稱為氧還原反應。在燃料電池研究初始，一直選用貴金屬作為陰極材料或者陰極有效的催化劑。這是因為貴金屬對氧還原反應有很好的催化活性。但是貴金屬的價格高、資源少的缺點導致燃料電池的成本居高難下。因此尋找一種高效、低價的非貴金屬材料取代原有的貴金屬材料是非常迫切需求的。金屬氧化物就是一種非常具有發展前途的材料，無論是單獨作為陰極材料還是作為陰極側的催化劑都顯示了良好的催化活性。

目前，不同結構、組成的金屬氧化物都已有報道。J.Ponce等人在《Electrochimica?Acta》雜志2001年第46卷3373頁報道了不同鎳取代的Ni_xAl_1-xMn₂O₄（1≥x≥0）對氧還原反應具有不同的催化活性，其中NiMn₂O₄活性最佳。N.L.Wu等人在《Electrochimica?Acta》雜志2003年第48卷1567頁實現了鈣鈦礦結構的La_0.6Ca_0.4CoO₃對氧還原反應的催化活化。R.N.Singh等人在《Electrochimica?Acta》雜志2004年第49卷4605頁報道了納米顆粒CoFe₂O₄在5mM?KOH溶液中對氧還原反應呈現出可觀的催化活性。F.Y.Cheng等人在《ACS?Applied?materials&?Interfaces》雜志2009年第1卷460頁和《Chemistry?of?Materials》雜志2010年第22卷898頁報道了不同種類和結構的線狀錳氧化合物（α-、β-、γ-MnO₂，Mn₂O₃）成功應用于催化堿性溶液中的氧還原反應，半波電位在0.7V附近，反應選擇性差，嚴重出現副產物過氧化氫。J.B.Xu等人在《Energy&?Environmental?Science》雜志2012第5卷5333頁報道了短棒狀Co₃O₄也具有可觀的催化活性。盡管現有的報道顯示金屬氧化物對氧還原反應具有可觀的催化活性，但是在氧還原反應的產物控制上還是很難做到控制自如。換言之，之前報道結果中的產物除了氫氧根離子以外還有大量的過氧化氫存在，降低了陰極反應的選擇性，即降低了陰極側的工作效率。如果要使催化劑的活性和反應的選擇性均具有較高的數值的話，就需要催化劑對產生氫氧根離子具有高的選擇性。但是目前，即可以成功地控制反應高選擇性，又同時具有高活性的催化劑尚未報道，尤其是金屬氧化物。金屬氧化物的形貌控制屬目前國際納米材料研究的前沿課題，尤其是可調控的八面體形貌金屬氧化物作為堿性的燃料電池的陰極尚未報道。

發明內容

本發明的目的在于提供低成本的、高可控性的八面體形貌金屬氧化物及其在燃料電池中的應用。

本發明提供了一種八面體形貌金屬氧化物，該金屬氧化物為八個面圍成的空間幾何結構的金屬氧化物，其為尖晶石結構氧化物，其化學式為M₃O₄。

本發明提供的八面體形貌金屬氧化物，所述金屬氧化物中的金屬M為鋰、鎂、鋁及過渡金屬中的單一金屬或幾種金屬的組合；組合金屬的數目為2~5種，其中包括2和5種。

本發明還提供了一種八面體形貌金屬氧化物在燃料電池中的應用，該八面體形貌金屬氧化物單獨作為燃料電池的陰極或作為燃料電池陰極的催化劑。所述的燃料電池的電解質為堿性的溶液或者堿性的膜；堿性的要求為pH≥8。