[發明專利]一種非貴金屬陰極催化劑及其制備方法

在審

• 申請號: 202010392336.2
• 申請日: 2020-05-11
• 公開（公告）號: CN111710876A
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 李德威;石俊峰
• 申請（專利權）人: 江蘇可蘭素環保科技有限公司;江蘇龍蟠科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李靜

本發明公開了一種非貴金屬陰極催化劑及其制備方法，該非貴金屬陰極催化劑的活性組分為鐵?氮?碳、鈷?氮?碳、碳化鐵和氧化鉬，載體為氮摻雜碳納米籠，制備方法為在水中加入氮摻雜碳納米籠、鐵源、鈷源和鉬源，超聲、干燥、研磨，在惰性氣體和還原性氣體中500?1000℃下熱解1～6h，冷卻，本發明的催化劑采用非貴金屬元素作為活性位點，活性較高，耐久性強，成本比較低廉，制備方式比較簡單，便于放大化生產。

技術領域

本發明涉及一種陰極催化劑及其制備方法，尤其涉及一種非貴金屬陰極催化劑及其制備方法，屬于燃料電池發明領域。

背景技術

隨著人類社會的不斷進步和發展，人類對于化石能源的過度開采和使用爆發出日益惡劣的環境問題。城市空氣質量每況日下，全球氣候日趨變暖，石油資源衰減，這些都迫使著人類去尋找清潔、有效、低廉的新型能源。其中燃料電池因其不受卡諾循環限制，具有高能量轉換效率(理論100％)、清潔無污染(反應只生成水)、能量密度遠超鋰電池等優點，在固定式電站、電動汽車、便攜式充電源、軍用電源等相關領域均有廣闊的運用前景，成為一種各國爭相研究的新型能源。

燃料電池的陰極和陽極反應較為緩慢，其中陰極氧還原反應(ORR)的反應速率比陽極氧化反應差數個數量級，所以需要比陽極更多的催化劑用于加速氧還原反應的進行。目前采用較廣的是Pt/C基催化劑，但Pt的資源有限，價格高昂，且Pt/C基催化劑對于CO和甲醇的耐受性較差。因此目前開發出來了高性能的Pt合金系列催化劑，但是合金系列的催化劑會發生原子偏析行為，導致催化劑失活或性能下降，且仍然采用的是比較昂貴的Pt金屬。目前非貴金屬催化劑受制于性能以及耐久性等方面。

發明內容

發明目的：本發明的第一目的旨在提供一種活性高、耐久性強、成本低的非貴金屬陰極催化劑，本發明的第二目的旨在提供該催化劑的制備方法。

技術方案：本發明的非貴金屬陰極催化劑，活性組分為鐵-氮-碳、鈷-氮-碳、碳化鐵和氧化鉬，載體為氮摻雜碳納米籠。

通過鐵原子、鈷原子、鉬原子的相互協調作用，暴露在氮摻雜碳納米籠的高活性位點下，提高催化劑抗甲醇性和一定的抗酸性，優化催化劑氧還原性能，以此提高催化劑的穩定性和催化活性。

進一步地，按質量百分數非貴金屬陰極催化劑的鐵原子含量為5-35％，鈷原子含量為5-30％，氧化鉬含量為10-35％，氮摻雜碳納米籠含量為50～80％。

優選的，鐵原子含量20-40％，鈷原子含量15-25％，鉬原子含量30-40％。

進一步地，氮摻雜碳納米籠的比表面積為50-2500m²/g。

優選的，氮摻雜碳納米籠的比表面積為1500-2500m²/g，來構建多活性位點。

本發明的非貴金屬陰極催化劑的制備方法，包括如下步驟：在水中加入氮摻雜碳納米籠、鐵源、鈷源和鉬源，超聲、干燥、研磨，在惰性氣體和還原性氣體中500-1000℃下熱解1～6h，冷卻。

優選的，熱解溫度為600-900℃。

進一步地，氮摻雜碳納米籠的制備方法包括如下步驟：將堿式碳酸鎂在惰性氣體和還原性氣體下，升溫至500-1000℃；加入吡啶溶液，恒溫20～120min后，冷卻、酸洗、過濾、研磨，其中，堿式碳酸鎂和吡啶的質量比為1～10:1。

優選的，升溫過程在管式爐中進行，熱解過程在管式爐中進行。

有益效果：與現有技術相比，本發明具有如下顯著優點：采用鐵、鈷和鉬作為活性位點，活性較高，耐久性強，成本比較低廉，制備方法比較簡單，便于放大化生產。

附圖說明

圖1為本發明非貴金屬陰極催化劑的LSV曲線。

具體實施方式