[發明專利]一種CoMn2O4@PAni催化劑及其制備和應用

在審

• 申請號: 201611133321.4
• 申請日: 2016-12-10
• 公開（公告）號: CN108607615A
• 公開（公告）日: 2018-10-02
• 發明（設計）人: 孫公權;吳楚楚;姜魯華
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B01J31/32
• 分類號: B01J31/32;H01M4/88;H01M4/90
• 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CoMn₂O₄@PAni催化劑及其制備和應用,具體的說是一種聚苯胺(PAni)包覆在CoMn₂O₄外面的核殼型電催化劑，該催化劑中CoMn₂O₄占整個催化劑的質量含量為30％～90％。與CoMn₂O₄電催化劑相比，該催化劑具有較高活性及穩定性；與現有制備方法相比，該方法具有綠色環保、簡便、易于實施、生產成本低；以及制備過程中形貌可控等優點。

技術領域

本發明屬于催化劑及其制備技術領域，具體的說涉及一種用于堿性陰離子交換膜燃料電池、金屬空氣燃料電池以及其它堿性條件下的氧還原催化劑及其制備和應用。

背景技術

燃料電池因其具有的能量密度高、環境友好等特點而受到各國研究者的高度重視，已成為國際上研究的熱點。堿性陰離子交換膜燃料電池與質子交換膜燃料電池相比，具有電極反應動力學速率較快、腐蝕作用較小等優勢，所使用的催化劑可以從更廣泛的非貴金屬材料中選擇。金屬空氣燃料電池儲存壽命長、燃料供應方便，氧電極也可采用非貴金屬氧還原催化劑。

近年來，由于含鈷、錳的一元或二元過渡金屬氧化物在堿性介質中具有較高活性和穩定性，引起了研究人員的廣泛關注。過渡金屬氧化物中過渡金屬的價態豐富、可調變性高。研究表明，用聚苯胺等導電高分子與催化劑進行復合可以顯著提升其穩定性。Chen等人以過硫酸銨為氧化劑，設計制備了聚苯胺包覆的Pt/C核殼催化劑，即Pt/C@PANI，相對于Pt/C催化劑，其ORR催化活性和穩定性都更高(J.Am.Chem.Soc.2012,134,13252-13255)。然而目前制備過渡金屬氧化物/導電高分子復合物的時間較長，往往需要在低溫下處理24小時以上，能耗大；制備的形貌不均勻，缺乏對厚度等因素的調控手段。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明目的在于提供一種應用于堿性陰離子交換膜燃料電池、金屬空氣燃料電池以及其它堿性條件下的氧還原催化劑及其制備和應用。

為實現上述目的，本發明采用以下具體方案來實現：

一種CoMn₂O₄@PAni電催化劑，以CoMn₂O₄粒子為核，PAni為殼，PAni均勻的包覆在CoMn₂O₄外表面，其中CoMn₂O₄的粒徑為200～500nm；PAni殼層的厚度為10～300nm；PAni為聚苯胺。

CoMn₂O₄的粒徑的直徑優選為200～300nm；PAni殼層的厚度優選為10～40nm。

所述核殼結構CoMn₂O₄@PAni電催化劑具有較高活性及穩定性，其核層對ORR具有較好的催化活性，多孔的PAni殼層則能夠提高催化劑的穩定性，減少了過渡金屬離子在氧化還原過程中發生溶解及金屬氧化物發生團聚的可能，同時PAni具有一定的導電性，也提升了催化劑的活性。其中若CoMn₂O₄的粒徑過大，則分散性差、電化學反應催化效果不好，過小，則極易完全溶解于酸溶液中，難以形成包結構；殼層過厚，則不利于CoMn₂O₄核層起催化作用；殼層過薄，則起不到提高催化劑穩定性的作用。

所述電催化劑中PAni的質量含量為10％～70％；優為10％～30％；最優為10～20％。

所述CoMn₂O₄@PAni電催化劑的制備方法，包括以下制備步驟，