[發(fā)明專利]一種燃料電池陽極催化劑的制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710740443.8
• 申請日: 2017-08-25
• 公開（公告）號: CN107507984A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張慶;房立;白正宇;賴小偉;楊林;黃茹夢;李珊珊;衡金夢
• 申請（專利權(quán)）人: 河南師范大學(xué)
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/92
• 代理公司: 新鄉(xiāng)市平原智匯知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)41139
• 代理人: 路寬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池催化劑的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種燃料電池陽極催化劑的制備方法。

背景技術(shù)

燃料電池具有運(yùn)行效率高、低排放等優(yōu)點，被公認(rèn)為是清潔的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。然而燃料電池的高成本制約了它的商品化進(jìn)程，是這一領(lǐng)域研究的最重要的關(guān)鍵問題之一。催化劑是燃料電池的重要組成部分，其成本約占整個燃料電池的50%。最常用的催化劑為貴金屬催化劑，但是貴金屬的儲量有限、價格昂貴，同時貴金屬催化劑在陽極氧化反應(yīng)中動力學(xué)過程緩慢，穩(wěn)定性較差。因此提高性能和降低成本是燃料電池催化劑急需解決的問題。

根據(jù)催化劑的表面效應(yīng)，想要滿足低成本高效率的要求，首先要使活性組分充分實現(xiàn)微粒化，在此基礎(chǔ)上，催化劑粒子固定在合適的載體上能使催化劑利用率達(dá)到最大化。因此，選擇適當(dāng)?shù)妮d體是影響催化劑活性的關(guān)鍵因素，載體也就成為催化劑中的關(guān)鍵組分之一。國內(nèi)外近期的研究發(fā)現(xiàn)，金屬和N共摻雜的碳材料具有良好的電化學(xué)性能，豐富發(fā)展此類材料體系，有望得到理想的電化學(xué)碳材料載體。

將碳材料作為載體，往往需要在載體表面引入修飾劑，發(fā)揮對擔(dān)載催化劑活性組分的錨固作用，從而提高催化劑活性組分在載體表面的分散性，但是這種物理修飾作用在電池工作過程中很容易發(fā)生衰減，使得載體界面吸附穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致電池壽命下降。并且這種引入修飾劑的方法，還將增加工藝復(fù)雜性和材料成本。

具有殼層結(jié)構(gòu)的納米材料在各個領(lǐng)域顯示了巨大的應(yīng)用潛力，比如殼層材料具有較高的比表面積，其豐富的孔隙也可以促進(jìn)質(zhì)量傳遞和電子轉(zhuǎn)移，因此，十分有利于提高催化劑的活性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供了一種燃料電池陽極催化劑的制備方法，從而有效提高直接甲酸燃料電池陽極催化劑的性能，該方法以優(yōu)化燃料電池陽極催化劑為導(dǎo)向，從載體創(chuàng)新的角度出發(fā)，將具備獨(dú)特物理及化學(xué)特性的特殊形貌納米材料作為載體，負(fù)載貴金屬納米合金，使得催化劑各組分之間充分發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)、形貌效應(yīng)以及載體效應(yīng)，進(jìn)而展現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，一種燃料電池陽極催化劑的制備方法，其特征在于具體步驟為：

（1）將三聚氰胺和焦磷酸與去離子水經(jīng)超聲分散混合均勻配成溶液，再加入氯化鐵并攪拌混合均勻得到懸濁液，將得到的懸濁液轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜中密封，于150℃反應(yīng)6h，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫，將得到的產(chǎn)物用去離子水洗滌直至濾液變?yōu)闊o色，放至真空干燥箱中于80℃干燥至恒重，然后在N₂氣氛下于800℃煅燒4h得到雙層空殼球形結(jié)構(gòu)磷、氮、鐵共摻雜碳材料；

（2）將步驟（1）得到的磷、氮、鐵共摻雜碳材料分散于乙二醇中，超聲攪拌2h得到分散液，將得到的分散液中依次加入PdCl₂水溶液和CuSO₄·5H₂O，攪拌至混合均勻得到混合液，將得到的混合液轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜中密封，于160℃反應(yīng)6h，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫，然后將產(chǎn)物離心，并用去離子水洗滌，放至真空干燥箱中干燥至恒重得到負(fù)載空殼球形結(jié)構(gòu)鈀銅合金燃料電池陽極催化劑。

進(jìn)一步優(yōu)選，步驟（1）中所述三聚氰胺、焦磷酸與氯化鐵的投料質(zhì)量比為1:1:10。

進(jìn)一步優(yōu)選，步驟（2）中所述磷、氮、鐵共摻雜材料與CuSO₄·5H₂O的投料質(zhì)量比為2:1，PdCl₂與CuSO₄·5H₂O的投料摩爾比為5:8。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

1、本發(fā)明立足于燃料電池催化劑載體的形貌結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，首次合成了具有雙層空殼球形結(jié)構(gòu)的磷、氮、鐵共摻雜碳材料，并將其作為燃料電池催化劑載體，雙層空殼球形結(jié)構(gòu)的磷、氮、鐵共摻雜碳材料載體為電極反應(yīng)提供三相（固-液-氣）區(qū)，為電解液傳輸提供通道，進(jìn)而提高催化劑的比表面積，增加電催化劑的催化活性；

2、磷、氮、鐵共摻雜作用使得碳材料具有更多的催化活性位點，與鈀銅合金中的銅一起發(fā)揮對貴金屬的良好協(xié)同效應(yīng)，有效提高了貴金屬的電催化性能，降低了貴金屬催化劑的成本，提高了貴金屬的利用率，在燃料電池陽極催化材料應(yīng)用中具有很好的前景；

3、磷、氮、鐵共摻雜作用使得碳材料載體表面性質(zhì)發(fā)生較大變化，對金屬催化組分的錨固作用增強(qiáng)，在無添加修飾劑的情況下，可以實現(xiàn)對金屬催化組分的均勻負(fù)載，大大提高了催化劑的活性和穩(wěn)定性。

附圖說明