[發明專利]一種過渡金屬偏硼酸鹽納米雙功能催化劑及制備方法

有效

• 申請號: 201710451822.5
• 申請日: 2017-06-15
• 公開（公告）號: CN107331873B
• 公開（公告）日: 2019-07-26
• 發明（設計）人: 王艷輝;周姝宇
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 秦皇島一誠知識產權事務所(普通合伙) 13116
• 代理人: 續京沙

一種過渡金屬偏硼酸鹽納米雙功能催化劑，它的化學式為M(BO₂)₂(M＝Fe，Co，Ni)，其化學成分質量百分比為：過渡金屬35～45％、硼10～20％、氧40～50％；上述過渡金屬偏硼酸鹽納米雙功能催化劑的制備方法主要是先通過溶劑熱法使微納米碳化硼和過渡金屬鹽形成復合物，待反應結束后靜置洗滌干燥，將反應后得到的產物于氮氣氣氛中進行500～600℃的熱處理即可得到過渡金屬的偏硼酸鹽納米雙功能催化劑。本發明工藝簡單、容易操作、制備成本低且易于規模化生產，制備的催化劑是一種兼具催化氧還原反應和析氧反應的高催化活性的新型催化劑，可以替代價格昂貴且只有單催化活性的鉑基和釕/銥基催化劑，應用于燃料電池陰極和金屬空氣電極正極。

技術領域

本發明屬于催化劑技術領域，特別涉及一種電池催化劑及其制備方法。

背景技術

燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑內的化學能通過電極反應直接轉化成電能的電化學裝置。由于其具有能量轉換效率高、環境友好、噪聲低、啟動快等優點，被認為是21世紀首選的潔凈、高效的發電技術之一，是繼風力、水力和太陽能之后有希望大量提供電力的新能源技術。大力發展燃料電池技術對解決目前世界面臨的“能源短缺”和“環境污染”這兩大難題，實現能源多樣化具有重要意義。經過多年的努力，燃料電池已經在電動汽車、家用熱電聯供系統、分散電站系統等領域成功地進行了示范運行。但由于成本高、穩定性和耐久性差等問題，嚴重阻礙了其產業化進程。

傳統的燃料電池中普遍使用鉑基催化劑作為催化氧還原反應的電催化劑，釕基和銥基催化劑則通常作為催化吸氧反應的催化劑。鉑、釕和銥作為貴金屬，其已探明儲量非常低，價格昂貴，致使電催化劑的價格居高不下。除此之外，鉑基催化劑在燃料電池運行中穩定性較差，特別是在陰極中高電勢、高氧含量的環境下極易被雜質以及甲醇毒化，尚不能滿足燃料電池實用化的要求。因此，開發價格低廉、高活性、高穩定性以及兼具兩種催化能力的新型非貴金屬催化劑成為目前燃料電池催化劑領域的新熱點。

目前常見的兼具雙功能催化性的電催化劑為鈣鈦礦型電催化劑和尖晶石型電催化劑等。如Dai Hongjie課題組研究了采用氧化石墨烯與碳納米管作為基底負載Co₃O₄的雙功能催化劑的催化性能。D.U.Lee等采用一步法制備NiCo₂O₄/石墨烯復合材料，研究其對ORR和OER的雙功能催化活性。Fanliang Lu等研究了多孔球形鈣鈦礦型氧化物La_0.8Sr_0.2MnO₃在鋰空氣電池中的電催化性能。無論是鈣鈦礦型催化劑還是尖晶石型催化劑都存在因導電性差而導致的催化活性不高問題。中國專利CN201110315465.2采用含氮和/或硼有機前驅體、過渡金屬鹽和納米碳為原料，通過微波輻射法以及后續熱處理制備出一種燃料電池催化劑。此專利涉及硼源不包括碳化硼并且制備的催化劑僅限于催化氧還原反應。中國專利201110000141.X通過加熱回流攪拌的方式制備出以導電陶瓷碳化硼為擔體，擔載不同種類貴金屬的燃料電池催化劑。此專利中復合的金屬種類為貴金屬，與此同時導電碳化硼對金屬只是簡單的機械擔載，并未與金屬發生復合反應，也僅研究了對氧還原反應的電催化性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種工藝簡單、條件溫和、容易操作、制備成本低且易于規模化生產、催化活性高和穩定性良好的過渡金屬偏硼酸鹽納米雙功能催化劑及制備方法。本發明主要是通過水熱法將過渡金屬與微納米碳化硼復合，并通過后續熱處理，制備過應用于燃料電池和金屬-空氣電池的對氧還原反應和析氧反應兼具高催化活性的雙功能催化劑。

本發明的過渡金屬偏硼酸鹽納米雙功能催化劑，它的化學式為M(BO₂)₂(M＝Fe，Co，Ni)，其化學成分質量百分比為：過渡金屬35～45％、硼10～20％、氧40～50％(氧元素存在于偏硼酸根中，由過渡金屬鹽引入)。

上述過渡金屬偏硼酸鹽納米雙功能催化劑的制備方法：