[發明專利]一種燃料電池用分級多孔碳材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 201410764356.2
• 申請日: 2014-12-11
• 公開（公告）號: CN105742655B
• 公開（公告）日: 2018-11-02
• 發明（設計）人: 張華民;鄧呈維;鐘和香;柳絲絲;姚嵐
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88;H01M4/96
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及一種燃料電池陰極催化劑用分級多孔碳材料，所述的多孔碳材料為過渡金屬?氮?氟/碳的有序分級多孔材料，通過溶劑揮發誘導自組裝過程制成，比表面積為500?1200m².g^?1，總孔容積為0.5?2㎝³.g^?1，其中介孔容積占總孔容積比例為30?70﹪，過渡金屬原子含量為0.1?1wt％，氮原子含量為1?5wt％，氟原子含量為0.1?0.5wt％。該金鐵、氟、氮共摻雜有序分級多孔碳材料展現了優異的氧還原催化性能，同時具備良好的穩定性。本發明的碳材料，具有制備性能優異、工藝簡單、工藝重復性好、成本低和環境友好等優點。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，具體是一種鐵、氟、氮共摻雜有序分級多孔材料及其在燃料電池陰極催化劑上的應用。

背景技術

能源是社會文明進步和國民經濟發展的基礎。近年來，隨著社會經濟的進步，人們對能源的需求日益增長，而與此同時，由于化石能源的大量使用，產生了大量的氮氧化物和硫氧化物，使得環境問題日益嚴重。以煤炭、石油、天然氣等化石燃料為主體的傳統能源結構已經無法滿足當代社會對高效，清潔，經濟的新型能源體系的需求，能源發展正面臨著前所未有的挑戰。

由于燃料電池具有響應速度快、能量轉換效率高、能量密度高且環保無污染等優點，其在移動電源、固定電站、分散式電站以及軍用電源等領域具有光明的應用前景。經過研究者幾十年的努力，燃料電池的關鍵材料得到突破，獲得了長足的發展。然而，目前燃料電池卻始終沒有得到大規模的商業化應用，其昂貴的成本是一個重要的原因。雖然經過過去幾十年的努力，燃料電池的成本已經從2002年的$275/KW降到了2009年的$61/KW，但是距離美國能源部提出的$30/KW的實際應用目標還有一定的距離。

作為燃料電池的關鍵材料之一，鉑基催化劑由于其資源稀少，成本昂貴，成為了阻礙燃料電池產業化進程的重要因素之一。因此，為了降低催化劑成本，實現燃料電池的商業化，研究開發廉價的非貴金屬催化劑是一條必經之路。目前，盡管已開發出一系列非貴金屬催化劑，如金屬氮化物、氧化物、金屬碳化物以及螯合物等，但是其活性和穩定性遠低于Pt基催化劑，離實際應用要求還有很大的差距。

碳納米材料在分子納米尺度上具有十分獨特的催化作用，在許多領域表現出了應用價值，引起了科研工作者的高度重視。近些年的研究表明，一些摻雜雜原子，如氮原子、磷原子、硫原子、硼原子的碳材料在氧還原反應中，表現出較高的氧還原催化活性。研究者們認為摻雜的雜原子改變了碳納米材料的微觀結構和表面電子態，削弱了氧分子的O-O鍵，從而發生氧還原反應。與此同時，研究者們發現，雜原子摻雜后的碳材料根據其比表面與孔結構的不同，催化活性表現出較大差異。因此開發具有高比表面及適宜孔結構的雜原子摻雜納米碳材料用作高性能燃料電池催化劑成為研究熱點之一。

發明內容

本發明的目的在于提供一種鐵、氟、氮共摻雜有序分級多孔碳材料及其制備方法、并將其應用于燃料電池陰極氧還原反應催化。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

所述的燃料電池陰極催化劑為一種過渡金屬-氮-氟/碳有序分級多孔材料，所述的多孔碳材料為過渡金屬-氮-氟/碳的有序分級多孔材料，通過溶劑揮發誘導自組裝過程制成，比表面積為500-1200m².g^-1，總孔容積為0.5-2cm³.g^-1，其中介孔容積占總孔容積比例為30-70﹪，過渡金屬原子含量為0.1-1wt％，氮原子含量為1-5wt％，氟原子含量為0.1-0.5wt％。

所述多孔碳材料的具體制備方法如下：

配制酚醛樹脂預聚體乙醇溶液，質量濃度為0.3g.mL^-1；