[發明專利]一種高效穩定的有機物電催化氧化催化劑及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201910297551.1
• 申請日: 2019-04-15
• 公開（公告）號: CN111834640A
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 程寒松;楊澤惠;楊明;蔡衛衛;張運豐
• 申請（專利權）人: 武漢氫陽能源有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 高玲玲

本發明公開了一種高效穩定的有機物電催化氧化催化劑及其制備方法和應用，催化劑的分子式為H_aM_xR_yY_zN₃，其中所述M、R、Y為不同的過渡金屬，N為氧、氮、碳、磷、硫中的一種元素，a值為0～1，x+y+z＝1且x、y、z中最多有一個數值為0。本申請制備的有機物電催化氧化催化劑能夠避免貴金屬的使用量，并且在能夠重復利用燃料電池產生的廢熱來實現小分子的分解，提高燃料電池的綜合利用效率。

技術領域

本發明屬于催化劑領域，特別涉及一種高效穩定的有機物電催化氧化催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

氫能是21世紀最理想的綠色能源，具有清潔、高效的優質特點。以C、H、N、O小分子液態有機物作為燃料，可以避免氫燃料電池中氫氣的儲運及安全問題。燃料電池工作時，C、H、N、O小分子液態有機物由陽極流場板進入流道，隨后經陽極擴散層進入陽極催化劑，在催化劑的作用下氧化釋放出電子和質子，反應后的C、H、N、O小分子液態有機物由陽極排出。電子流經外電路做功，質子通過固體電解質膜傳遞到陰極。此時，氧氣或空氣通過陰極流場板進入流道，經過陰極擴散層進入陰極催化層，與陽極傳遞來的質子結合反應生成H₂O，同時消耗掉從外電路傳遞過來的電子。生成的H₂O以水蒸氣或冷凝水的形式從陰極排出。目前C、H、N、O小分子有機物電催化氧化的催化劑主要是Pd、Pt、Ru、Rh等貴金屬材料，價格昂貴且資源匱乏，因而開發低成本、高效能的C、H、N、O小分子有機物電催化氧化的催化劑成為能源、催化和材料領域的研究熱點。

發明人程寒松教授及其團隊通過長期的探索和研究，發現了一類過渡金屬氧化物具有良好的加/脫氫性能，且循環壽命高，此類材料加氫后變成電子導體。電催化氧化原理與加氫脫氧(HDO)、加氫脫氮(HDN)和加氫脫硫(HDS)類似，因此此類材料完全可成為高效穩定的電催化氧化催化劑。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的缺陷，提供一類高效穩定的C、H、N、O小分子有機物電催化氧化催化劑，既二元、三元過渡金屬氧、氮、碳、磷、硫化物，并提供上述催化劑的制備方法以及應用。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種高效穩定的有機物電催化氧化催化劑，所述催化劑的分子式為H_aM_xR_yY_zN₃，其中所述M、R、Y為不同的過渡金屬，N為氧、氮、碳、磷、硫中的一種元素，a值為0～1，x+y+z＝1且x、y、z中最多有一個數值為0。

進一步的，過渡金屬為釩、鉻、錳、鈧、鈦、鋯、鈮、鉬、銠、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鋨、鎢、鉭、銥。

一種有機物電催化氧化催化劑的制備方法，包括以下步驟：

(1)稱取兩種或三種過渡金屬酸銨鹽與聚乙二醇攪拌混合，將混合溶液加熱攪拌，攪拌后滴加10％的稀硝酸調節溶液pH至1～3；

(2)將混合液裝進水熱反應釜，進行水熱反應；反應結束后，抽濾并用超純水和乙醇洗滌反應物至中性，60℃充分干燥；

(3)將干燥物進行高溫煅燒，煅燒時間控制1～5h，得到金屬氧化物產物；

(4)將產物裝入高溫高壓反應釜內，加熱反應得到H_aM_xR_yY_zO₃；

(6)將產物H_aM_xR_yY_zO₃與NH₃、H₂/CH₄、NaH₂PO₂或硫粉在350～700℃高溫煅燒2h，分別制得氮、碳、磷、硫化物。