[發(fā)明專利]一種用于燃料電池的石墨烯復(fù)合催化劑及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610918380.6
• 申請日: 2016-10-21
• 公開（公告）號: CN106654305B
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳慶;曾軍堂;王鐳迪
• 申請（專利權(quán)）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯復(fù)合燃料電池催化劑，具體涉及一種用于燃料電池的石墨烯復(fù)合催化劑及其制備方法。

背景技術(shù)

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家使用微機(jī)械剝離的方法發(fā)現(xiàn)了石墨烯，并于2010年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯為一種單一原子厚度且具有sp²鍵結(jié)的碳原子的平板結(jié)構(gòu)，理論上，具有完美六角網(wǎng)狀構(gòu)造，呈現(xiàn)優(yōu)異的電子穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、光性能、力學(xué)性能等。自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以后，由于其優(yōu)異的性能和巨大的市場應(yīng)用前景引發(fā)了物理和材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱潮。

隨著煤、石油等化石能源的日益枯竭，人類社會正面臨著越來越嚴(yán)重的能源危機(jī)，在使用化石能源的過程中，所產(chǎn)生的硫化物、氮氧化物以及碳氧化物等污染氣體已經(jīng)給環(huán)境帶來了巨大的破壞。燃料電池作為一種可再生、清潔無污染的新型能源正受到越來越多的關(guān)注。作為燃料電池最重要組件之一的催化劑密切關(guān)系到燃料電池的性能指標(biāo)，一直以來都是燃料電池和催化劑科研工作者的研究重點(diǎn)。目前，燃料電池催化劑的載體一般都是選擇導(dǎo)電性好、比表面積高的碳質(zhì)材料，如石墨、炭黑、碳納米管等；其中碳納米管由于其大的比表面積和優(yōu)良的電學(xué)、力學(xué)及吸附性能，已被證明是一種優(yōu)良的燃料電池催化劑載體，與碳納米管相比，石墨烯生產(chǎn)成本更低、性能更優(yōu)，因此，用石墨烯作為燃料電池催化劑的載體，具有更好的應(yīng)用前景。

中國發(fā)明專利申請?zhí)?01510564565.7公開了一種燃料電池催化劑Pt-CrN/石墨烯復(fù)合體的制備和應(yīng)用。所述制備方法為，先利用氧化石墨和鉻鹽制得CrN/石墨烯復(fù)合體，再利用將鉑鹽、溶劑和CrN/石墨烯復(fù)合體制得Pt-CrN/石墨烯復(fù)合體。本發(fā)明制備的產(chǎn)品作為燃料電池催化劑，具有優(yōu)異的陽極氧化、陰極氧還原性能。工藝簡單，成本低，可控性好，可重復(fù)性好，可適于大規(guī)模生產(chǎn)。然而該方法制備的石墨烯容易與納米顆粒發(fā)生團(tuán)聚，降低電子的輸運(yùn)特性，而且使用的原料成本高，不適合連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)。

中國發(fā)明專利申請?zhí)?01410742322.3公開了一種燃料電池用陣列碳納米管/石墨烯載鉑催化劑及其制備方法。所述制備方法是先制備出鎳/鈷載石墨烯復(fù)合材料，再通過化學(xué)氣相沉積在石墨烯上生長直立有序的碳納米管，最后將鉑還原于載體石墨烯-陣列碳納米管上。該種載體具有特殊的結(jié)構(gòu)，直立有序的碳納米管生長于石墨烯上，不但有較大的比表面積可以提高鉑的利用率，還為電催化反應(yīng)提供了暢通的離子、電子通道，有利于提高電催化反應(yīng)速率，最終有利于提高催化劑的催化效率和貴金屬的利用率。然而該方法工藝復(fù)雜，設(shè)備投入成本大，大規(guī)模生產(chǎn)難度大。

中國發(fā)明專利申請?zhí)?01310670591.9公開了一種石墨烯改性的燃料電池負(fù)極催化劑材料及其制備方法。該方法將聚苯胺‐鐵‐鎳‐石墨烯在硫酸溶液中復(fù)合得到催化劑粉末。然而，該方案制備的催化劑的鐵、鎳納米粒子反應(yīng)活性強(qiáng)，非常容易造成催化劑中毒，失去催化活性。

中國發(fā)明專利申請?zhí)?01310401298.2公開了一種燃料電池用Pt-Co/C-單層石墨烯的制備方法。該發(fā)明將氧化石墨烯表面負(fù)載Pt-Co合金納米粒子制備復(fù)合催化劑。該發(fā)明簡單易行，效率高，且得到的石墨烯具有單層結(jié)構(gòu)，合金粒子的粒徑分布均勻，平均粒徑約為1.5 nm，所得到的催化劑具有優(yōu)異的氧還原電催化性能。然而，該方案仍然使用了貴金屬Pt作為催化劑材料，成本昂貴，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

根據(jù)上述，雖然石墨烯被用于燃料電池催化劑的載體材料，但是由于石墨烯價(jià)格昂貴，原料成本高，不適合連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)，而且容易與納米顆粒發(fā)生團(tuán)聚，造成電解質(zhì)中的石墨烯分散不均勻，降低電子的輸運(yùn)特性，而且貴金屬鉑、金材料的使用會進(jìn)一步增加成本，不利于燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用。再者，納米金屬鐵、鈷、鎳的使用，非常容易造成催化劑中毒，失去催化活性，催化穩(wěn)定性差是嚴(yán)重制約應(yīng)用的主要原因。因此，開發(fā)低成本、規(guī)模化地制備石墨烯復(fù)合燃料電池催化劑符合燃料電池市場需求。

發(fā)明內(nèi)容

針對目前直接利用石墨烯和貴金屬作為燃料電池催化劑的原料，成本高、工藝連續(xù)性差、無法大規(guī)模生產(chǎn)，而石墨烯與鐵鈷鎳金屬復(fù)合制備的催化劑穩(wěn)定性差的問題，本發(fā)明提出一種用于燃料電池的石墨烯復(fù)合催化劑及其制備方法，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定制備石墨烯復(fù)合材料，同時(shí)解決了納米粒子的分布不均勻的問題和鐵鈷鎳金屬催化劑穩(wěn)定性差的問題，進(jìn)一步推動了大規(guī)模石墨烯燃料電池催化劑的生產(chǎn)。

為解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種用于燃料電池的石墨烯復(fù)合催化劑，其特征在于，所述復(fù)合材料由下列重量份的原料制備而成：

石墨原料10-40份