[發(fā)明專利]用于直接甲酸燃料電池的銥單原子催化劑及其制備方法

有效

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• 申請日: 2017-10-23
• 公開（公告）號: CN107799779B
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李亞棟;陳遠(yuǎn)均;李治;冀淑方;王定勝;彭卿;陳晨
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M8/1009
• 代理公司: 北京鴻元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

一種用于直接甲酸燃料電池的銥單原子催化劑及其制備方法，該催化劑是通過在銥金屬化合物的甲醇溶液中，將鋅金屬化合物與咪唑類有機配體配位形成包裹了銥金屬化合物的金屬有機框架復(fù)合材料，再在惰性氣體氛圍下高溫煅燒，咪唑類有機配體形成非金屬雜原子氮摻雜的多孔碳載體，銥原子與周圍的非金屬雜原子氮相互作用，以單個銥原子配位4個氮原子(Ir?N4)的形式負(fù)載在多孔碳載體上。本發(fā)明通過簡單的混合方式，制備得到銥金屬化合物和金屬有機框架材料的復(fù)合材料，再通過高溫?zé)峤獗憧芍频勉瀱卧哟呋瘎Ｔ摲椒ê唵我仔校龃呋瘎┻m用于直接甲酸燃料電池的陽極反應(yīng)，具有原子利用率高，催化性能優(yōu)異，穩(wěn)定性好的特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明具體涉及一種直接甲酸燃料電池陽極銥單原子催化劑及其制備方法，屬于直接甲酸燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著人類社會的發(fā)展，全球能源的消耗和氣候變化等問題都引起了人們的廣泛關(guān)注，因此尋找可替代的清潔能源已經(jīng)迫在眉睫。目前，正在開發(fā)的新能源包括太陽能，風(fēng)能，燃料電池等。其中，直接甲酸燃料電池是一種通過甲酸和空氣的電極反應(yīng)生成二氧化碳和水直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，不需要充電，不會產(chǎn)生廢氣，因能量轉(zhuǎn)換效率高和環(huán)境友好等優(yōu)越性受到人們的關(guān)注，被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的清潔能源發(fā)電技術(shù)之一。燃料電池特別適合用于作為汽車的動力來源，燃料電池已經(jīng)被視為汽車業(yè)務(wù)的最終解決方案之一，比電動汽車更具優(yōu)勢，事實上第一批生產(chǎn)的燃料電池汽車已經(jīng)在日本商業(yè)銷售。但是直接甲酸燃料電池的陽極甲酸氧化動力學(xué)緩慢、催化劑易失活，昂貴的陽極催化劑是制約燃料電池商業(yè)化進程的一大因素。現(xiàn)在，鈀碳和鉑碳是商業(yè)上最廣泛使用的催化劑，但由于鈀碳和鉑碳的價格昂貴，單位質(zhì)量活性低，且很容易在使用的過程中衰減失活，這些都是實現(xiàn)直接甲酸燃料電池大規(guī)模商業(yè)化急需解決的問題。目前為止解決方法是使用鈀基合金或者鉑基合金催化劑替代單組份鈀碳、鉑碳催化劑，雖然這類方法能夠一定程度的提高催化劑的活性和穩(wěn)定性，但是相比于商業(yè)應(yīng)用的要求，仍有很大的差距。值得注意的是，目前報道的電催化劑會在循環(huán)測試過程中活性逐漸下降，這是因為甲酸電催化過程中的中間產(chǎn)物——一氧化碳會毒化催化劑材料，這是制約電催化劑穩(wěn)定性的重要因素。開發(fā)高活性、高穩(wěn)定性、抗一氧化碳中毒的直接甲酸燃料電池的電催化劑來替代現(xiàn)有催化劑是解決這些問題的一個有效途徑，并將會極大地推動直接甲酸燃料電池的商業(yè)化發(fā)展進程。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種用于直接甲酸燃料電池的銥單原子催化劑及其制備方法，使其不僅制備方法簡單，且所制備的催化劑熱穩(wěn)定性好，產(chǎn)率高，價格低廉。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種直接甲酸燃料電池陽極銥單原子催化劑，該催化劑是通過將銥金屬化合物限域封裝在鋅金屬化合物與咪唑類有機配體配位形成金屬有機框架材料中，然后通過在惰性氣體氛圍下高溫?zé)峤夥磻?yīng)，咪唑類有機配體形成非金屬雜原子氮摻雜的碳載體，銥原子與周圍的非金屬雜原子氮相互作用，以單原子的形式與周圍4個氮原子形成Ir-N4配位，并且負(fù)載在多孔的碳載體上。

所述催化劑中銥為第六周期金屬銥元素，所述有機配體為2-甲基咪唑。

所述非金屬雜原子為N。

一種直接甲酸燃料電池陽極銥單原子催化劑的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，將銥金屬化合物甲醇溶液和鋅金屬化合物甲醇溶液加入到咪唑類有機配體甲醇溶液中，溶解，然后再將混合溶液靜置12～36h；所述銥金屬化合物甲醇溶液的摩爾濃度為0.024～0.027mol/L，所述鋅金屬化合物甲醇溶液的摩爾濃度為0.24～0.27mol/L，所述銥金屬化合物的甲醇溶液液、鋅金屬化合物甲醇溶液、咪唑類有機配體甲醇溶液三者之間的體積比為1：1：0.5～2。

步驟2，將步驟1得到的懸濁液用甲醇洗滌,烘干過夜，得到固體粉末；