[發(fā)明專利]一種燃料電池用非貴金屬催化劑及其制備方法和燃料電池

在審

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• 申請日: 2016-12-07
• 公開（公告）號: CN106784890A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設計）人: 吳其興;梅日國;席晶晶;王芳;羅仲寬
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 深圳市恒申知識產(chǎn)權(quán)事務所(普通合伙)44312
• 代理人: 王利彬

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于電化學能源領域，尤其涉及一種燃料電池用非貴金屬催化劑及其制備方法和燃料電池。

背景技術(shù)

隨著化石燃料的枯竭和環(huán)境污染日趨嚴重，作為未來可持續(xù)發(fā)展和分布式的產(chǎn)電裝置，燃料電池以其效率高、低二氧化碳排放、模塊化和穩(wěn)定性好等優(yōu)勢吸引力研究者們的廣泛關(guān)注。目前，鉑和鉑合金以其高的催化活性被廣泛用作燃料電池催化劑。但是由于鉑價格昂貴，儲量有限，抗甲醇毒化能力低等缺點限制了燃料電池的大規(guī)模商業(yè)化。因此，發(fā)展高效價廉的催化劑成為燃料電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵突破口。

石墨化碳氮化合物，通常簡寫成g-C₃N₄，是一種結(jié)構(gòu)類似于石墨烯的二維結(jié)構(gòu)材料，由三嗪C₃N₄或者三重三嗪C₆N₇通過叔胺相互連接。單層的g-C₃N₄具有高的比表面積(2500cm²/g)，高的氮含量(60.9wt％)以及易與過渡金屬形成絡合物等特性，是合成非貴金屬催化劑的理想的氮源。盡管g-C₃N₄在光催化領域受到廣泛研究和關(guān)注，然而其在電催化領域并沒有引起太多的關(guān)注，而未發(fā)揮其應有的潛力。研究表明，純的g-C₃N₄在酸性介質(zhì)中的具有氧還原活性，且其基礎活性比純碳要高。由于g-C₃N₄具有較差的電子傳輸特性，使得g-C₃N₄的催化反應局限在很窄的三相界面區(qū)，導致純的g-C₃N₄表現(xiàn)出較差的氧還原反應活性。目前對g-C₃N₄改進方法主要局限于形貌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及與高比表面積的碳支撐體進行復合，但是由于g-C₃N₄本征結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變，導致其催化活性依然不高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種燃料電池用非貴金屬催化劑及其制備方法和燃料電池，旨在通過改變g-C₃N₄的結(jié)構(gòu)，進而提高其催化活性和氧吸附能力。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種燃料電池用非貴金屬催化劑的制備方法，包括以下步驟：

制備氧摻雜g-C₃N₄；

利用氧摻雜g-C₃N₄與過渡金屬鹽制備紡絲液，對所述紡絲液進行靜電紡絲處理，獲得前驅(qū)體樣品；對所述前驅(qū)體樣品進行高溫處理，獲得非貴金屬催化劑。

進一步地，所述制備氧摻雜g-C₃N₄包括：

制備三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液，將兩種溶液中的其中一種的pH值調(diào)節(jié)為2～13；

將兩種溶液混合，獲得沉淀，將所述沉淀過濾，得到前驅(qū)體化合物；

將所述前驅(qū)體化合物進行熱聚合反應，得到氧摻雜g-C₃N₄。

進一步地，所述三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液中的三聚氰酸與三聚氰胺的質(zhì)量比為1～10:1～10；

進一步地，所述三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液的溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)均為1％～15％。

進一步地，所述將所述前驅(qū)體化合物進行熱聚合反應包括：

將所述前驅(qū)體化合物置于保護氣體中進行加熱，所述加熱過程包括：升溫至350～450℃，保溫0.5～5h，升溫速率為1～10℃/min；再升溫至500～650℃，保溫0.5～5h，升溫速率為1～10℃/min。

進一步地，所述利用氧摻雜g-C₃N₄與過渡金屬鹽制備紡絲液包括：

將氧摻雜g-C₃N₄置于DMF中，超聲分散5～30min；加入過渡金屬鹽，密封攪拌；加入PAN的DMF溶液，制成紡絲溶液。

進一步地，所述靜電紡絲處理的紡絲電壓為5-30kV，進料速度為0.8-2mL/h，紡絲距離為6-18cm。

進一步地，所述高溫處理包括：

升溫至700～1000℃，保溫0.5～5h，升溫速率為1～10℃/min。

本發(fā)明還提供了一種燃料電池用非貴金屬催化劑，采用上述所述的制備方法制成。