[發明專利]一種非貴金屬碳基燃料電池氧還原催化劑的制備方法

在審

• 申請號: 201711057931.5
• 申請日: 2017-11-01
• 公開（公告）號: CN107895803A
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 郭朝中;滕柳梅;黎燕榮;馮桐;雷宇;劉代軍;張進;程靜;廖文利
• 申請（專利權）人: 重慶文理學院
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92
• 代理公司: 北京挺立專利事務所(普通合伙)11265
• 代理人: 李鑫

技術領域

本發明屬于燃料電池催化劑領域，更具體涉及一種非貴金屬碳基燃料電池氧還原催化劑的制備方法。

技術背景

隨著人類社會嚴重依賴于石油、煤炭、天然氣等不可再生的且帶來嚴重污染化石燃料日益枯竭。促使人類社會必須開發出新的可再生能源產品，以及能量儲存與轉換技術。金屬-空氣燃料電池具有極高的能量密度而得到重視。其中常見的鋅-空氣燃料電池、鋰-空氣燃料電池的能量密度可以分別達到2500Wh kg^-1、 11700Wh kg^-1，被認為是最有前途的可充電電池[Chem Soc Rev，2014， 43:5257-5275]。當前商用燃料電池氧還原催化劑是價格昂貴的鉑基催化劑，并且其穩定、耐甲醇性能差。故尋找一個價格低廉、穩定性好且效率高的并具有耐甲醇性能的燃料電池陰極氧還原催化劑對于堿性燃料電池的商業化大規模應用具有關鍵性意義。

發明內容：

本發明的目的是解決燃料電池氧還原催化劑制備成本高的問題，本發明提出了一種非貴金屬碳基燃料電池氧還原催化劑的制備方法，這種燃料電池氧還原催化劑制備方法簡單、成本低廉。

一種非貴金屬碳基燃料電池氧還原催化劑的制備方法，其特征在于：采用如下步驟制備，

A：稱量20～200mg石墨炔、碳納米管和炭黑中的一種，加入到30～300mL 蒸餾水燒杯中，再稱量19～190mg氯鈀酸鉀加入燒杯中，超聲均勻混合后，用磁力攪拌器攪拌1h，然后離心并干燥得到產品A；

B：取與樣品A質量相同的苯胺，再取與苯胺摩爾量相同的過硫酸銨；將產品A加入到之前取的苯胺中，并加入0.2M HCl溶液調節pH到2，然后攪拌1 小時得到混合溶液；再將之前取的過硫酸銨加入到混合溶液中，并攪拌24小時，離心、干燥得到產品B；

C：將樣品B在管式爐中700～990℃條件下保溫兩小時，采用氮氣作為保護氣氛；保溫結束后，隨爐冷卻至室溫得到產品C；

D：用1M HCl溶液將步驟C得到的產品C浸泡半個小時，然后用清水清洗干凈；重復做兩遍，得到產品D；

E：清洗完成后將步驟D得到的產品D再放入80℃的烘箱中烘干，即可得到非貴金屬燃料電池氧還原催化劑。

本發明的一種非貴金屬碳基燃料電池氧還原催化劑的制備方法的優點在于：

1.催化劑中不含有貴金屬；用廉價的含氮化合物取代卟啉酞菁等同樣昂貴的大環化合物；這些措施顯著降低了催化劑的制備成本；

2.用簡單的攪拌過程取代了長時間的回流過稱，節省了催化劑制備所需要的人力、物力和時間，操作便利，有利于催化劑的規模化生產；

3.利用石墨炔或者碳納米管作為碳基體，碳基體具有還原性的特性將鈀顆粒還原到自身廣闊的二維表面，從而構建活性位點，比表面積大；

4.用聚苯胺將鈀顆粒包覆在碳基體原子結構的表面，防止鈀顆粒的移動，使催化劑的穩定性更高。

進一步：所述步驟A中稱量20mg石墨炔，采用石墨炔作為碳基，Pd基顆粒物可以負載于石墨炔表面，同時大部分Pd粒子被石墨層包覆。

進一步：所述步驟C管式爐的保溫溫度為800℃，在該溫度下保溫得到的催化劑微觀結構穩定。

進一步：所述步驟C中管式爐的升溫速度為10℃/min，在該升溫速度下合成時間短，催化劑微觀結構也不會遭到破壞。

進一步：所述步驟E中的烘箱為真空干燥箱，采用真空干燥干燥速度快，并且對催化劑性能影響小。

附圖說明：

圖1是實施例1在0.1M KOH溶液中電極以不同的旋轉速度測試催化氧還原反應的極化曲線和商業鉑碳20％Pt/C催化劑在0.1M KOH溶液中催化氧還原反應的極化曲線比較圖；

圖2是實施例1在0.1M KOH溶液中電極以不同的旋轉速度測試催化氧還原反應的極化曲線在0.1M KOH溶液中催化氧還原反應的穩定性極化曲線比較圖；

圖3是實施例1在0.1M KOH溶液中催化氧還原反應的電子轉移數計算圖；

圖4是實施例1在0.1M KOH溶液中電極以不同的旋轉速度測試催化氧還原反應的極化曲線；

圖5是實施例1、實施例4、實施例5和商業鉑碳催化劑Pt/C催化劑在圓盤電極以1600rpm的轉速下測得的氧還原電催化活性比較圖；

圖6是實施例4非貴金屬碳基燃料電池氧還原催化劑的高分辨透射電鏡圖。

發明具體實施步驟：