[發明專利]一種燃料電池用鈷-氮共摻雜碳氣凝膠催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201810663492.0
• 申請日: 2018-06-25
• 公開（公告）號: CN109103462B
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 李柯;余罡;花仕洋;吳昊;詹東旭
• 申請（專利權）人: 武漢船用電力推進裝置研究所（中國船舶重工集團公司第七一二研究所）
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/90
• 代理公司: 武漢凌達知識產權事務所(特殊普通合伙) 42221
• 代理人: 劉念濤;宋國榮

本發明公開了一種燃料電池用鈷?氮共摻雜碳氣凝膠催化劑及其制備方法，其核殼結構及材質構成為Co?phen@CA；其中，載體為高溫碳化后的碳氣凝膠，活性組分為在碳氣凝膠表面均勻分布的鈷單質及其氧化物和碳化物；本發明以六水合硝酸鈷與有機配體鄰菲羅啉和吡啶2,6?二羧酸在水熱環境下反應生成了一類新穎的具有片狀結構的金屬有機骨架配合物材料，通過碳氣凝膠對其進行包覆后形成了一類新的復合材料，而煅燒過程使用N₂作為保護氣體，明顯降低了制備成本，將促進非貴金屬催化劑的進一步發展。

技術領域

本發明屬于燃料電池用非貴金屬催化劑技術領域，具體涉及一種由碳氣凝膠包覆金屬有機骨架配合物材料（Co-phen）制備的鈷-氮共摻雜碳氣凝膠催化劑（Co-phen@CA）。

背景技術

燃料電池（Fuel cells）作為一種將燃料的化學能通過電化學反應的方式直接轉變為電能的發電裝置，是21世紀具有廣闊應用前景的一種清潔能源裝置，它的出現以期望替換現階段傳統能源及可充電鋰離子電池。作為在低溫下可順利運行的堿性燃料電池，其發展正得到人們越來越多的重視。

目前，低溫燃料電池陰極催化劑完全依賴鉑（Pt）才能達到功率要求，而Pt的成本及儲量局限了其規模商業化。因此，開發低成本、高活性密度中心、高穩定性的非貴金屬催化材料對于低溫燃料電池技術的廣泛推廣舉足輕重。

但是，這類催化劑目前仍存在兩個致命的缺點：難以突破穩定性和兼顧活性（活性位點的識別問題）；應用于陰極催化層中存在亟待解決的科學和技術問題（較厚的催化層導致傳質阻力增加的問題）。

因此，識別出催化劑的活性位點，了解催化劑機理，以此指導具有高密度活性中心的非貴金屬催化劑設計與合成，成為低溫燃料電池陰極催化劑需突破的關鍵技術。

發明內容

本發明的目的之一是提供一種制備簡單，成本較低，高催化活性和穩定性好的燃料電池催化劑，為實現該目的，本發明采取了以下技術方案：一種燃料電池用鈷-氮共摻雜碳氣凝膠催化劑，其核殼結構及材質構成為Co-phen@CA；其中，載體為高溫碳化后的碳氣凝膠，活性組分為在碳氣凝膠表面均勻分布的鈷單質及其氧化物和碳化物。

本發明的另一目的是提供一種由金屬有機骨架配合物材料制備的鈷-氮共摻雜碳氣凝膠催化劑的制備方法，具體實施步驟如下：

（1），稱取1.503g吡啶2,6-二羧酸溶于20ml甲醇中得到A溶液；稱取1.31gCo(NO₃)·6H₂O與1.62g鄰菲羅啉溶于15ml甲醇與20ml去離子水的混合溶液中，得到B溶液；將完全溶解的A加入完全溶解的B溶液中，室溫下攪拌12～24h，抽濾干燥，得到具有片狀結構的金屬有機骨架配合物Co-phen；

（2），將甲醛和間苯二酚以 1:2 比例混合，以無水碳酸鈉為催化劑，加入三次去離子水，在惰性氣體保護下攪拌混合均勻，然后將混合均勻的溶液放入密封容器，陳化，得到有機氣凝膠；將有機氣凝膠酸化后全部浸泡在丙酮中，將溶劑置換后得到的有氣凝膠進行半密封式干燥直至有機氣凝膠恒重，將得到的干燥的有機氣凝膠研磨成粉末，在惰性氣體保護下管式爐中碳化，然后自然冷卻降溫，得到黑色的碳氣凝膠粉末；

（3），稱取一定比例Co-phen和碳氣凝膠于乙二醇溶劑中，超聲攪拌使其分散均勻，加入NaOH溶液調節pH為7-10，攪拌12-24h，過濾干燥，完成Co-phen@CA的合成；

（4），將步驟（3）所得混合物置于瓷舟中，在N₂氛圍下，利用管式爐對其高溫處理，得到燃料電池用鈷-氮共摻雜碳氣凝膠催化劑。

其中，所述步驟（2）中Co-phen與碳氣凝膠質量比為1:10—5:10。