[發(fā)明專利]一種燃料電池用Fe-N-C非貴金屬催化劑及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910684308.5
• 申請日: 2019-07-26
• 公開（公告）號: CN110534759A
• 公開（公告）日: 2019-12-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李柯;余罡;夏豐杰;肖飛虎;王傲
• 申請（專利權(quán)）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: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 42221 武漢凌達知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(特殊普通合伙)
• 代理人: 劉念濤;宋國榮<國際申請>=<國際公布>

本發(fā)明公開了一種燃料電池用Fe?N?C非貴金屬催化劑，其中載體為三聚氰胺和鐵配位化合物高溫碳化后形成的石墨型碳，活性組分為在石墨型碳表面均勻分布的鐵及其碳化物，制備方法是以無水氯化鐵和吡啶?2,6?二羧酸在水熱環(huán)境下反應(yīng)，通過自組裝配位而形成的一類新型具有針狀結(jié)構(gòu)的晶體材料鐵配位化合物，然后將三聚氰胺和鐵配位化合物分散均勻，然后于高溫下煅燒；本發(fā)明所提供的非貴金屬催化劑分散比較均勻，所使用原料價格都比較便宜，明顯降低了成本，并且在堿性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性和穩(wěn)定性，符合現(xiàn)階段燃料電池用非貴金屬催化劑的要求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池用非貴金屬催化劑技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的Fe-N-C非貴金屬催化劑及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著環(huán)境污染和能源短缺問題的日趨嚴重，新能源及新能源裝置的開發(fā)就顯得極為迫切，氫能便是眾多新能源的一種，具有比能量高、無污染等優(yōu)點，而燃料電池作為一種能夠直接使用氫能的清潔能源裝置引起了國內(nèi)外廣泛的研究熱情，它可以將燃料（通常是氫氣）和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，并且具有無污染、能源轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點。

燃料電池的核心組件是膜電極，它是燃料電池電化學(xué)反應(yīng)，是多項物質(zhì)傳輸場所，其中催化劑是燃料電池膜電極組件的關(guān)鍵材料，催化劑性能的優(yōu)劣決定了燃料電池的輸出效率，而目前燃料電池中所用的催化劑主要是鉑基催化劑，但是鉑基催化劑的高成本及有限的儲量限制了燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用，為了實現(xiàn)燃料電池的可持續(xù)發(fā)展，開展非貴金屬催化劑的研究具有十分重大的意義。但是非貴金屬催化劑與鉑基催化劑相比起催化活性和穩(wěn)定性均勻較大差距，并且非貴金屬催化劑的催化機理尚不明確，因此需要對非貴金屬催化劑進行深入探究，識別其催化活性位點及催化機理，制備兼顧活性和穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑。

目前非貴金屬催化劑的種類非常之多，主要分為以下三種：

1）過渡金屬-氮-碳催化劑，該類催化劑主要由過渡金屬、氮和碳三種元素組成，也是種類最豐富、研究最多、活性最好的一類非貴金屬催化劑；

2）過渡金屬化合物，主要包括一些過渡金屬氧化物、硫?qū)倩衔铩⑻蓟锖偷铮沁@些化合物通常需要做一些表面處理；

3）非金屬催化劑，通常為雜原子摻雜的碳材料，非金屬催化劑中沒有了易被酸腐蝕的非貴金屬因而往往在酸性環(huán)境下具備較好的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種制備簡單，成本較低，并且具有高催化活性和穩(wěn)定性好的燃料電池非貴金屬催化劑及其制備方法。為實現(xiàn)該目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案：

一種燃料電池用Fe-N-C非貴金屬催化劑，其結(jié)構(gòu)為碳載Fe和Fe3C，其中載體為三聚氰胺和鐵配位化合物高溫碳化后形成的石墨型碳，活性組分為在石墨型碳表面均勻分布的鐵及其碳化物。

一種燃料電池用Fe-N-C非貴金屬催化劑的制備方法，步驟如下：

（1）稱取一定比例的無水氯化鐵和吡啶-2,6-二羧酸溶于去離子水、乙醇和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液中，180℃～240℃水熱條件下反應(yīng)12h～36h，冷卻抽濾干燥，得到紅色的鐵配位化合物；

（2）稱取一定比例的鐵配位化合物和三聚氰胺于乙二醇溶劑中，超聲攪拌分散均勻，攪拌時間為6～12h，過濾干燥，得到非貴金屬催化劑前驅(qū)體；

（3）將非貴金屬催化劑前驅(qū)體置于瓷舟中，在氮氣氛圍下利用管式高溫爐進行高溫煅燒處理2～12h，得到燃料電池用Fe-N-C非貴金屬催化劑。

進一步，所述步驟（1）中無水氯化鐵和吡啶-2,6-二羧酸的比例為1:1～5:1。

進一步，所述步驟（1）中去離子水、乙醇和N,N-二甲基甲酰胺的比例為1～3：1～3：1～3。

進一步，所述步驟（2）中鐵配位化合物和三聚氰胺質(zhì)量比為20mg～100mg：1g。