[發明專利]一種非貴金屬催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201610078963.2
• 申請日: 2016-02-04
• 公開（公告）號: CN107029772B
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 唐浩林;吳佳賓;曾燕;王銳;魏希;蔡世昌
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/10;B01J21/18
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮

本發明公開了一種非貴金屬催化劑及其制備方法，其制備方法包括以下步驟：(1)將金屬化合物與有機分子鏈接劑按比例分別溶解，將溶解獲得的兩種溶液均勻混合，使金屬離子與有機分子進行螯合反應，生成沉淀物；對沉淀物進行離心或抽濾處理，獲得中間產物；并對該中間產物進行干燥處理，獲得前驅體；(2)將該前驅體置于惰性氣氛下進行熱解碳化處理，得所述非貴金屬催化劑。本發明制得的非貴金屬催化劑，它以金屬有機骨架結構為內核，表面有多壁碳納米管，具有大的比表面積；具有良好的氧還原催化性能、氧析出催化性能、穩定性、以及良好的CH₃OH耐受性，將其應用于燃料電池時，可維持長期穩定的催化活性。

技術領域

本發明屬于電源裝置催化劑技術領域，更具體地，涉及一種非貴金屬催化劑及其制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池、甲醇燃料電池、電解水裝置及一體式可再生燃料電池是不經過燃燒而直接通過電化學反應方式將燃料中的化學能轉化為電能的發電裝置，屬于綠色能源；與現有的蓄電池和充電電池相比，具有高能量、高功率、無污染、高效率和小型化的特點，未來的普及和市場前景廣受期待。然而，上述燃料電池電極的催化劑，特別是陰極氧還原催化劑，如鉑基催化劑，因其成本昂貴、催化效率低、穩定性差等因素成為了遏制其商業化的主要瓶頸之一。因此，研制和開發低貴金屬催化劑及非貴金屬催化劑成為該技術領域發展的方向，尤其是非貴金屬催化劑逐漸成為人們關注的熱點，被期待為該技術領域巨大突破的希望。近年來，碳基非貴金屬催化劑的研究逐漸取得較大進展，主要為N元素和M(Fe、Co等金屬元素)-N摻雜的各種結構納米碳(石墨烯、碳納米管、碳纖維、碳球、介孔碳及其復合碳材料)。迄今，碳基非貴金屬催化劑的制備主要集中于模板法、高溫煅燒法、化學氣相沉積法、水熱合成法等操作過程復雜、制備條件苛刻的方法。

綜上，電源裝置中采用貴金屬催化劑，其缺點是資源有限、價格昂貴、CH₃OH/CO耐受性及長時間運行穩定性差；而被人們期待的非貴金屬催化劑則資源豐富、價格低廉，但其催化活性及穩定性遠低于貴金屬催化劑。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種非貴金屬催化劑及其制備方法，其目的在于提高非貴金屬催化劑的催化活性、穩定性，并降低其成本。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種非貴金屬催化劑的制備方法，包括以下步驟：

(1)將金屬化合物與有機分子鏈接劑按1:(3～4)的摩爾比在溶劑中分別溶解；將溶解獲得的兩種溶液均勻混合，室溫下靜置，使金屬氧化物中的金屬離子與有機分子鏈接劑中的有機分子進行螯合反應，生成沉淀物；對所得沉淀物進行離心或抽濾處理，獲得中間產物；并對該中間產物進行干燥處理，獲得前驅體；

(2)將上述前驅體置于惰性氣氛下，勻速升溫至600～1000℃；在該溫度下對所述前驅體進行熱解碳化處理，獲得非貴金屬催化劑。

優選地，所述靜置時間為12～24h。

優選地，所述有機分子鏈接劑采用二甲基咪唑、對苯二甲酸二甲酯、對苯二羧酸、對酞酸二甲酯、1，3，5-均苯三羧酸中的一種或幾種。

優選地，所述溶劑采用去離子水、甲醇、無水甲醇、無水乙醇、異丙醇中的一種或幾種。

優選地，所述金屬化合物采用包含Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mn、Mo、Se、Sn、Pt、Ru、Pd、W、Rh、Pb、Sc、Ti、V、Cr中一種或幾種的金屬化合物(金屬氧化物或鹽等)，如無機化合物FeSO₄.7H₂O、FeCl₃、二茂鐵、酞菁鐵、CoSO₄等中的一種或幾種。

優選地，上述制備方法中，惰性氣氛采用N₂或Ar氣體；所述升溫速率為5～10℃/min；所述熱解碳化處理的時間為2～10小時。