[發(fā)明專利]三原子級分散的金屬團簇負(fù)載氮摻雜納米碳燃料電池催化劑

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910248077.3
• 申請日: 2019-03-29
• 公開（公告）號: CN111755705A
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳忠偉
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江晨陽新材料有限公司
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 北京從真律師事務(wù)所 11735
• 代理人: 程義貴

本發(fā)明涉及一種三原子級分散的金屬團簇燃料電池催化劑，所述催化劑包含三原子金屬團簇和氮摻雜納米碳材料，所述三原子金屬團簇中的金屬是以三原子團簇形式分散在基底上，所述氮摻雜納米碳包含碳源和氮源，所述三原子金屬團簇負(fù)載于所述氮摻雜納米碳上。通過以該材料組裝的燃料電池展現(xiàn)出優(yōu)異的電池性能。本發(fā)明步驟簡單，可控，重現(xiàn)性好，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬催化和燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種三原子級分散的金屬團簇負(fù)載氮摻雜納米碳燃料電池催化劑。

背景技術(shù)

燃料電池是一種通過氧或氧化劑進行氧化還原反應(yīng)，把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。它的發(fā)現(xiàn)已有180年的歷史，被稱為繼水電、火電和核電發(fā)電之后的人類歷史上的第四種穩(wěn)定發(fā)電技術(shù)。燃料電池基于使用的燃料不同，有可能產(chǎn)生極少量二氧化碳和其他物質(zhì)，對環(huán)境的污染較少。其中氫燃料電池由于使用純氫氣作為燃料，產(chǎn)物為水，因而是一種零污染的綠色能源。

雖然目前燃料電池技術(shù)已在航空航天和住房交通等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用，但燃料電池技術(shù)目前仍不夠完善，特別是在汽車領(lǐng)域的商業(yè)化推廣方面仍存在一些困難，這主要是由于其成本仍有待于進一步降低。目前燃料電池廣泛使用的鉑基催化劑成本高昂，亟需開發(fā)價格更低同時催化性能優(yōu)異的催化劑。催化劑的尺寸、結(jié)構(gòu)、形貌、表面積等對其催化性能，如活性和穩(wěn)定性等具有至關(guān)重要的影響。如何設(shè)計具有特定尺寸和結(jié)構(gòu)的燃料電池催化劑是該領(lǐng)域的一個重要挑戰(zhàn)。

專利CN102318112B公開了一種磷酸燃料電池用三元鉑合金催化劑及其制備方法；CN105409042A公開了一種鉑基三元去合金燃料電池催化劑且其表面非鉑含量僅為對應(yīng)的體相含量的20-99％。CN105009336B公開了一種包含鉑和鉭的二元合金催化劑并用于燃料電池；CN103769086B公開了一種基于真空濺射法和微粉化工藝的碳載鉑燃料電池催化劑的制備方法；CN103501896A公開了一種包含促進氫的氧化反應(yīng)的第一催化材料和促進氧析出的第二催化材料的燃料電池催化劑層。專利CN108270020A公開了一種在炭基底上用氧固定鉑單原子催化劑的燃料電池催化劑；CN108339543A公開了一種基于溶劑熱合成和聚合物包覆及熱處理的高負(fù)載量單原子催化劑及其制備方法；CN106944119A公開了一種層狀石墨相氮化碳負(fù)載單原子金屬M催化材料的制備方法；CN107376970A公開了一種單原子鐵摻氮多孔碳催化劑及其制備方法與其在催化含氮雜環(huán)化合物脫氫氧化反應(yīng)中的應(yīng)用；CN108686680A公開了一種貴金屬單原子負(fù)載于硫化鎘納上的復(fù)合材料及其制備方法和在光解水產(chǎn)氫中的應(yīng)用。

以上現(xiàn)有技術(shù)中只是單純的介紹了關(guān)于燃料電池催化劑材料和單原子催化材料的相關(guān)技術(shù)，但是關(guān)于三原子級分散的金屬團簇燃料電池催化劑未見有公開報道。這些技術(shù)與本發(fā)明的主要區(qū)別在于：催化劑材料不同，本發(fā)明中主要涉及三原子級分散的金屬團簇負(fù)載氮摻雜納米碳燃料電池催化劑，作為一種亞納米尺度的材料，它是介于單原子與納米粒子之間的物種。本發(fā)明的材料為一種亞納米尺度的三原子團簇以及含該材料的燃料電池催化劑應(yīng)用。具體地，該材料中的三原子金屬團簇通過氮原子錨定在碳基底上，形成了過渡金屬三原子團簇與氮共摻雜的碳基，從而產(chǎn)生了較為穩(wěn)定的三原子團簇，且能均一地分散在基底上。該三原子團簇結(jié)構(gòu)能極大地暴露活性位點，展示出優(yōu)異的氧還原反應(yīng)催化活性和穩(wěn)定性。利用該材料作為催化劑的燃料電池也表現(xiàn)出了優(yōu)異的電池性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種三原子級分散的金屬團簇負(fù)載氮摻雜納米碳燃料電池催化劑以及該材料在燃料電池中的應(yīng)用。該三原子金屬團簇材料具有優(yōu)異的氧還原活性，在燃料電池測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的電池性能。該材料重現(xiàn)性好，產(chǎn)率高，成本較低，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明提出的一種三原子級分散的金屬團簇燃料電池催化劑，所述催化劑包含三原子金屬團簇和氮摻雜納米碳材料，所述三原子金屬團簇中的金屬是以三原子團簇形式分散在氮摻雜納米碳上，所述氮摻雜納米碳包含碳源和氮源，所述三原子金屬團簇負(fù)載于所述氮摻雜納米碳上。