[發(fā)明專利]一種低載量Pd/空心碳球氧還原電催化劑的制備方法及應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010052678.X
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111215056B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃明華;汪興坤;陳宗坤
• 申請（專利權(quán)）人: 中國海洋大學(xué)
• 主分類號: B01J23/44
• 分類號: B01J23/44;B01J35/02;H01M4/92
• 代理公司: 合肥拓信專利代理事務(wù)所(普通合伙) 34251
• 代理人: 徐海燕

本申請?zhí)峁┝艘环N低載量Pd/空心碳球氧還原電催化劑的制備方法及應(yīng)用，通過高分子模板劑在水熱過程中與碳源前驅(qū)體進(jìn)行自組裝合成空心聚合物球，采用簡便的雙溶劑浸漬法成功將PdCl₄^2?負(fù)載于中空聚合物球上，最后將反應(yīng)物放置于可程控的氣氛管式爐中，經(jīng)過500?900℃高溫碳化，即得到低載量Pd/空心碳球氧還原電催化劑(Pd?HCS)，其可以作為堿性環(huán)境中高效的ORR電催化劑。通過該方法得到的這種低載量Pd?HCS氧還原電催化劑具有較高的比表面積，良好的導(dǎo)電性和足夠的活性位點(diǎn)，展現(xiàn)了較為優(yōu)異的氧還原電催化性能、良好的穩(wěn)定性及優(yōu)異的抗甲醇毒化的活性。該制備方法工藝簡單，成本低廉且具有一定的普適性，對于設(shè)計與開發(fā)新型燃料電池陰極氧還原電催化劑具有一定的指導(dǎo)意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化學(xué)能源材料領(lǐng)域，具體涉及到空心碳球基氧還原電催化劑的制備，尤其涉及一種用于催化燃料電池陰極氧氣還原成水的低載量Pd/空心碳球氧還原電催化劑的制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)

近年來，由于傳統(tǒng)化石能源的枯竭和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，非常需要研究和開發(fā)新型高效，低成本和清潔可再生的能源轉(zhuǎn)換和儲存技術(shù)，如燃料電池、鋅空氣電池和水分解等技術(shù)。其中燃料電池發(fā)展最為迅速，被認(rèn)為是21世紀(jì)能源之星，它能夠?qū)⑷剂虾脱趸瘎┲械幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能且不受卡諾循環(huán)的限制，轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60％以上；并且產(chǎn)物為水，高效清潔無污染。

燃料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應(yīng)與氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場所，電極主要可分為兩部分，其一為陽極(Anode)，另一為陰極(Cathode)，厚度一般為200-500mm；其結(jié)構(gòu)與一般電池之平板電極不同之處，在于燃料電池的電極為多孔結(jié)構(gòu)，便于燃料及氧化劑大多為氣體(例如氧氣、氫氣等)通過。燃料電池陰極發(fā)生的氧氣還原反應(yīng)涉及到多電子反應(yīng)過程，動力學(xué)較為緩慢，致使燃料電池的商用化推進(jìn)進(jìn)程停滯不前，因此普遍需要電催化劑的存在以大幅度的提高其氧還原反應(yīng)速率，目前常用的商業(yè)電催化劑仍為貴金屬Pt/C催化劑，但金屬Pt元素稀缺，價格昂貴及易發(fā)生毒化等缺點(diǎn)限制了其規(guī)模化使用。為了提高燃料電池的功率密度及降低燃料電池的研發(fā)成本，不僅需要盡快實現(xiàn)電催化劑等關(guān)鍵材料的大批量生產(chǎn)，而且需要降低電催化劑中鉑的用量。為降低陰極氧還原電催化劑的開發(fā)成本，眾多研究者致力于開發(fā)和研究新型的Pt基及非Pt基電催化劑，在降低貴金屬載量的同時保證催化劑的催化活性及穩(wěn)定性。

Pd與Pt具有非常相似的性質(zhì)(處于元素周期表的同一族，具有相同的fcc晶體結(jié)構(gòu)，相似的原子尺寸)，且Pd與Pt相比成本低廉，它在地球上的豐度至少是Pt的50倍，因此可以作為燃料電池中Pt催化劑的良好替代品。然而，由于金屬原子之間易發(fā)生遷移和聚集成納米顆粒的固有趨勢，會通過聚集降低表面能，粒徑隨之增大，直接導(dǎo)致納米電催化劑活性的降低。因此，需要對Pd納米顆粒的分散性進(jìn)行精細(xì)的控制以改善它們的電催化活性，這是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。為了解決這個問題，將高導(dǎo)電碳材料與Pd納米顆粒結(jié)合以使其達(dá)到理想均勻分散的效果，這不僅有利于電荷傳輸，而且其可以提供豐富的活性位點(diǎn)來固定Pd納米顆粒。目前常用的碳載體材料為炭黑材料，其具有高導(dǎo)電性，較高的比表面積且價格低廉，商用Pt/C氧還原電催化劑即將貴金屬Pt負(fù)載于炭黑材料上所制得。然而，隨著催化劑載量的增加，金屬顆粒的粒徑在炭黑表面會急速變大，團(tuán)聚造成催化劑穩(wěn)定性及活性降低，造成貴金屬的浪費(fèi)。新型的碳載體材料(空心碳球、介孔碳)具有高比表面積和良好的導(dǎo)電性，良好的抗腐蝕性，成為研究的重點(diǎn)。