[發明專利]一種基于協同改性的非貴金屬肼氧化催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201910858352.3
• 申請日: 2019-09-11
• 公開（公告）號: CN110635141B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 王平;林曦;溫禾
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 羅嘯秋

本發明屬于燃料電池材料領域，公開了一種基于協同改性的非貴金屬肼氧化催化劑及其制備方法。所述催化劑包括金屬氮化物活性相和金屬基體相，金屬氮化物活性相以細小納米顆粒形式彌散分布于金屬基體相表面。將載體材料加入到含有過渡金屬鹽與沉淀劑的水溶液中，80～180℃水熱反應，得到納米結構催化劑前驅體，然后在氨氣與惰性氣體的混合氣氛及300～450℃溫度下進行熱處理反應，得到基于協同改性的非貴金屬肼氧化催化劑。本發明的制備方法原料成本低廉、制備方便、易于量產。制得的催化劑兼具高本征催化活性、豐富的活性位點和良好的導電性，可在堿性條件下高效且穩定地催化肼的電化學氧化反應。

技術領域

本發明屬于燃料電池材料領域，具體涉及一種基于協同改性的非貴金屬肼氧化催化劑及其制備方法。

背景技術

不斷增長的能源需求和環境污染等全球性問題極大地刺激了清潔可持續能源技術的發展。燃料電池使從化學能到電能的高效、可靠和環境友好的轉換成為可能，從而為諸如內燃機的傳統技術提供了用于分布式發電的有前景的替代方案。燃料電池具有較寬的工作溫度范圍和多樣的性能規格，這主要取決于燃料的類型。在尋找用于車輛或便攜式應用的可行燃料電池時，直接肼燃料電池由于其許多良好特性而引起了廣泛的關注。一水合肼是一種無碳燃料，其能量密度高(5.42Wh·g^－1)，材料成本低，且在室溫條件下具有優異的穩定性。沿四電子路徑反應的直接肼燃料電池的標準平衡電位(+1.56V)高于氫氣-空氣燃料電池(+1.23V)和大多數直接液體燃料電池。此外，直接肼燃料電池不需要使用貴金屬作為電催化劑材料，這對實際應用是十分重要的。直接肼燃料電池可在近室溫下穩定運行，反應產物氮氣和水對環境無害。阻礙直接肼燃料電池實際應用的一個主要問題是一水合肼的毒性和致突變性，而根據Tanaka的報道，可以通過含水肼與含羰基聚合物反應形成固體腙來解決這一問題。腙十分安全，可在與溫水接觸時釋放出一水合肼。

先進陽極電催化劑的合成是直接肼燃料電池技術發展的核心問題。在過去的幾十年中，已經研究了大量的地球上含量豐富的過渡金屬材料作為潛在的直接肼燃料電池陽極催化劑。研究發現與純金屬相比，過渡金屬元素與其它金屬或非金屬元素的化合可以顯著改善對肼電氧化的電催化活性。在實踐中，該組合物調節策略總是與納米結構工程結合使用。這產生了幾種代表性的催化劑，它們在接近環境溫度下在堿性條件下對肼的電氧化具有高活性?？偟膩碚f，在開發直接肼燃料電池陽極電催化劑方面已經取得了令人鼓舞的進展，但現有催化劑的催化性能仍遠遠不能滿足實際應用的要求。在此，應該注意的是，由于缺乏對電催化過程的深入了解，現有的篩選直接肼燃料電池陽極電催化劑的方法基本上是經驗性的。這使得明智選擇電催化材料非常重要，這需要綜合考慮材料的內在活性，活性位點數和電導率。因此，發展先進的廉價金屬催化劑設計理念與可控合成方法仍是推進直接肼燃料電池技術實用化進程中亟待解決的關鍵問題。

發明內容

針對以上現有技術存在的缺點和不足之處，本發明的首要目的在于提供一種基于協同改性的非貴金屬肼氧化催化劑。本發明的肼氧化催化劑兼具高本征活性、豐富的活性位和良好的導電性，可在堿性條件下高效且穩定地催化肼的電化學氧化反應，綜合催化性能比得上已發表的頂級肼氧化電催化劑。

本發明的另一目的在于提供上述基于協同改性的非貴金屬肼氧化催化劑的制備方法。該方法原料易得、操作簡便、便于量產。

本發明目的通過以下技術方案實現：

一種基于協同改性的非貴金屬肼氧化催化劑，包括金屬氮化物活性相和金屬基體相，金屬氮化物活性相以細小納米顆粒形式彌散分布于金屬基體相表面。

進一步地，所述金屬氮化物活性相為過渡金屬的氮化物，所述金屬基體相為過渡金屬；所述過渡金屬是指Fe、Co、Ni、W、Mo、Mn中的一種或兩種以上的合金。

進一步地，所述金屬氮化物活性相的顆粒尺寸為5～40nm。

進一步地，所述金屬基體相具有納米多孔結構，納米孔尺寸為1～10nm。