[發明專利]一種高催化活性燃料電池陰極催化劑

在審

• 申請號: 201810357151.0
• 申請日: 2018-04-19
• 公開（公告）號: CN108598504A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 趙翠玲;彭程;彭秋明;馮佳文;張昊
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: 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: 劉建年

本發明提供一種高催化活性燃料電池陰極催化劑，它是一種在制備出的ZIF?8型有機金屬框架(MOF)中負載銀納米粒子的燃料電池陰極催化劑；其制備方法主要是利用六水合硝酸鋅和2?甲基咪唑合成出的ZIF?8結構的多孔結構，上面負載具有高催化活性的銀納米顆粒，形成Ag?ZIF復合結構，后經過800?1000℃的高溫碳化處理，合成高催化活性的燃料電池催化劑。本發明制備過程簡單、安全無毒，制備成本低廉、無污染物排出、環境友好。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，特別涉及一種燃料電池陰極催化劑。

技術背景

燃料電池是一種將化學能轉化為電能的新型發電技術。它由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)和電解質組成。燃料電池在反應時不發生燃燒這類化學反應，因此具有發電效率高、環境污染小、比能量高、噪音低、燃料范圍廣、可靠性高、易于建設等優點。然而，燃料電池催化劑的使用，大大地限制了燃料電池的發展。

Pt/C催化劑是目前應用最為廣泛的商用燃料電池催化劑，它是鉑納米粒子高度分散于Vulcan XC-72上。然而Pt由于資源稀少，成本昂貴以及穩定性差等問題導致不能實現大規模的生產和商用。

金屬銀具有良好的導電性和化學穩定性，納米銀具有獨特的性能，比如：體積效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等，可以大大提高催化反應效率。且銀系及其合金催化劑在堿性環境中仍然具有很好的氧還原活性，因而成為目前研究的熱點。和鉑催化劑相比，價格低廉，來源豐富。銀被用在燃料電池催化劑中，擁有廣闊的使用前景和應用價值。

金屬有機框架化合物(MOFs)是一類有機無機雜化材料，是由有橋聯的多齒有機配體與金屬中心通過配位自組裝而形成的具有周期性網絡結構的多孔材料。MOFs由于其組成的特殊性，故而它的性質既不同于無機多孔材料，也不同于一般的有機配合物，兼具有機材料的柔性和無機材料的剛性。因而近年來受到科研界的廣泛關注。WatcharopChaikittisilp[A new family of carbon materials:synthesis of MOF-derivednanoporous carbons and their promising applications.J.Mater.Chem.A,2013,1,14-19]等通過MOF作為前驅體合成一系列多孔碳材料用于燃料電池和空氣電池中。

其中沸石咪唑骨架材料(ZIFs)，這類骨架材料具有沸石類的拓撲結構，同時具有很高的比表面積、孔體積孔徑可調與高孔隙率的性質。與其他MOFs材料相比，這類材料具有更高的化學穩定性與熱穩定性。Linjie Zhang[Highly graphitized nitrogen-dopedporous carbon nanopolyhedra derived from ZIF-8 nanocrystals as efficientelectrocatalysts for oxygen reduction reactions.Nanoscale,2014,6,6590-6602]使用ZIF-8作為前驅體合成高石墨化的氮摻雜多孔碳納米多面體提高氧還原活性。但是由于ZIFs系列材料沒有使用金屬作為活性位點，其氧還原活性還遠遠達不到期望值。目前，國內外已經成功制備出碳材料載銀納米粒子，或ZIFs作為模板制成多空碳材料作為燃料電池催化劑。但在ZIF-8載銀納米顆粒符合材料方面還存在大量的研究空白。

發明內容：

本發明的目的在于提供一種制備工藝簡單、催化活性高、制備成本低廉、環境友好的高催化活性燃料電池陰極催化劑。

本發明的高催化活性燃料電池陰極催化劑是一種在制備出的ZIF-8型有機金屬框架(MOF)中負載銀納米粒子的燃料電池陰極催化劑。

上述燃料電池陰極催化劑的制備方法如下：

(1)按每100ml甲醇加入1.4g 6水合硝酸鋅和100mg～500mg硝酸銀的比例，將6水合硝酸鋅和硝酸銀溶于甲醇中；