[發明專利]一種碳載金屬催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201310115348.0
• 申請日: 2013-04-03
• 公開（公告）號: CN103227334A
• 公開（公告）日: 2013-07-31
• 發明（設計）人: 張永明;王超楠;袁望章;李虹
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;B01J23/656;B01J23/881;B01J23/89;B01J23/42;B01J23/44
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 胡紅芳

1.一種碳載金屬催化劑，其特征在于，所述碳載金屬催化劑具體如下結構：在碳纖維構成的多孔碳紙片中含有金屬顆粒；所述金屬顆粒選自過渡金屬、鑭系金屬、錒系金屬中的單一金屬、金屬合金、金屬氧化物、金屬鹽中的一種或幾種的混合物；

所述碳載金屬催化劑中碳與金屬材料的質量比為100：0.01～100：90；

所述碳纖維的直徑為50nm～1μm、孔隙率為30～80%、比表面積為5～100m²g^-1、孔體積為0.1～10?mL?g^-1。

2.根據權利要求1所述的催化劑，其特征在于，所述多孔碳紙片呈規則或不規則狀，所述多孔碳紙片的厚度為10nm～1mm。

3.根據權利要求1所述的催化劑，其特征在于，所述金屬顆粒的直徑為0.1～200nm，為二次負載所得。

4.權利要求1至3任一所述的催化劑的制備方法，其特征在于，包含如下步驟：將1重量份聚丙烯腈以及0.01～0.5重量份金屬前驅體溶于DMF或者DMAC中，聚丙烯腈濃度范圍為7～20%，在30～60℃下攪拌0.5～12h；其中PAN與金屬前驅體的質量比為1000：1～100：90，攪拌2-48h，進行靜電紡絲，紡絲所得纖維膜置于反應爐中進行碳化得到含有初次負載金屬的多孔碳紙片；取所述多孔碳紙片溶于去離子水中形成0.05～1wt%的含有初次負載金屬的碳纖維分散液，在1000～2000重量份的含有初次負載金屬的碳纖維分散液中加入2.66～15.93重量份的金屬前驅體攪拌形成均勻分散液，使所述金屬前驅體在所述均勻分散液中的載量為1～99wt%，用0.5～4M氫氧化鉀水溶液調節pH值為9～13，攪拌后加入160～640重量份還原劑進行還原反應，過濾，真空干燥得到含有二次負載金屬的催化劑，即所述碳載金屬催化劑。

5.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述靜電紡絲所使用的電壓范圍為5～30KV，流速為0.05～0.4ml/h，接收距離為5～30cm。

6.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述碳化的過程分為預氧化和碳化兩個階段，預氧化溫度為200～300℃、升溫速率為1～10℃/min；碳化溫度為600～2200℃，升溫速度為1～20℃/min。

7.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述金屬前驅體是過渡金屬、鑭系金屬、錒系金屬中的單一金屬、金屬合金、金屬氧化物、金屬鹽中的一種或幾種的混合物，所述多孔碳紙片與二次負載共金屬質量之比為100：1～100：99。

8.根據權利要求所述的催化劑，其特征在于，所述還原劑為硼氫化鈉、乙二醇或甲醇，所述還原反應的溫度為10～180℃。

9.一種燃料電池，其特征在于，所述燃料電池包含權利要求1至3任一所述的碳載金屬催化劑。