[發(fā)明專利]一種直接甲酸燃料電池陽極用生物質(zhì)基催化劑及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010547021.0
• 申請(qǐng)日: 2020-06-16
• 公開（公告）號(hào): CN111785980A
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡碩真;夏順凱;趙勇智;馮孟杰;方傅末晗;孫林鶴
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華東理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/92
• 分類號(hào): H01M4/92;H01M8/1009;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明給出了一種直接甲酸燃料電池陽極用生物質(zhì)基催化劑及其制備方法。所述生物質(zhì)基催化劑，以花生殼、竹子和秸稈等生物質(zhì)材料來源的碳作為載體，在其上負(fù)載納米級(jí)鈀基催化劑。這種生物質(zhì)基催化劑的碳載體來源于生物質(zhì)材料：（1）可提供豐富的氮（N）、磷（P）等非金屬元素，提高碳載體的導(dǎo)電性以及對(duì)鈀基催化劑的作用；（2）具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，具有很好的傳質(zhì)效果；（3）具有來源廣泛、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，可應(yīng)用于直接甲酸燃料電池，為提高陽極催化劑性能提供新的途徑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及直接甲酸燃料電池陽極催化劑的制備，具體涉及一種以生物質(zhì)碳為載體用于直接甲酸燃料電池的陽極催化劑及其制備方法。

背景技術(shù)

燃料電池是一種直接將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的高效發(fā)電裝置，其使用燃料于氧氣作為燃料，無噪聲污染，污染性氣體排放很少，是一個(gè)很有前途的能源利用方式。直接甲酸燃料電池作為質(zhì)子交換膜燃料電池中的一種，使用液態(tài)的甲酸作為燃料，具有燃料低毒、便于運(yùn)輸、質(zhì)子交換膜滲透性較小、操作溫度低和燃料氧化速率高等優(yōu)點(diǎn)，具有潛在的應(yīng)用前景。目前，制約直接甲酸燃料電池商業(yè)化應(yīng)用的主要問題在于其陽極催化劑鈀的穩(wěn)定性較差，而影響催化劑穩(wěn)定性的主要原因之一是納米級(jí)的金屬鈀在使用過程中會(huì)出現(xiàn)聚集，造成鈀的活性變差。解決這一問題的方法之一是將納米級(jí)的金屬鈀負(fù)載在多孔碳載體材料上，并在多孔碳載體材料中摻雜氮和磷，以改善碳載體的電子傳遞性能；將多孔碳材料制備成同時(shí)含有微孔、介孔和大孔的多級(jí)孔碳材料，以保證納米鈀金屬的均勻分散負(fù)載。為了更好地?fù)诫s氮和磷，一般選擇含氮和磷的有機(jī)材料為多孔碳載體的前驅(qū)體，這就使得制備過程過于繁瑣，生產(chǎn)成本高居不下。對(duì)于一般的有機(jī)前驅(qū)體材料，制備同時(shí)含有多級(jí)孔碳的孔徑分布也不易控制。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種以生物質(zhì)碳為載體用于直接甲酸燃料電池陽極的生物質(zhì)基催化劑及其制備方法，為具有高活性和穩(wěn)定性的直接甲酸燃料電池陽極鈀基催化劑提供了一種新的解決方案。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)施：

本發(fā)明的一個(gè)方面，是提供一種直接甲酸燃料電池陽極用生物質(zhì)基催化劑，其特征在于，該催化劑的活性組分為納米級(jí)鈀基催化劑，載體為生物質(zhì)基含有雜原子的多級(jí)孔碳；

所述的生物質(zhì)為花生殼、竹子、麥秸稈、玉米秸稈中的一種或兩種及以上的混合物；

所述的鈀基催化劑為金屬鈀或鈀基多金屬催化劑。

作為對(duì)本發(fā)明中一種直接甲酸燃料電池陽極用生物質(zhì)基催化劑的限定：所述的生物質(zhì)基含有雜原子的多級(jí)孔碳，孔徑小于2 nm的微孔占總孔的體積百分比為5~30%，孔徑在2~50 nm的介孔占總孔的體積百分比為30~75%，大于50nm的大孔占總孔的體積百分比為20~40%。

作為對(duì)本發(fā)明中一種直接甲酸燃料電池陽極用生物質(zhì)基催化劑的另一種限定：所述的生物質(zhì)基含有雜原子的多級(jí)孔碳中氮（N）元素的質(zhì)量百分比為0.3~2.0%，磷（P）元素的質(zhì)量百分比為0.01~1.50%。

作為對(duì)本發(fā)明中一種直接甲酸燃料電池陽極用生物質(zhì)基催化劑的最后一種限定：所述的納米級(jí)鈀基催化劑的粒徑在2~20 nm范圍內(nèi)。

本發(fā)明的另一個(gè)方面，是提供一種直接甲酸燃料電池陽極用生物質(zhì)基催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）生物質(zhì)碳化

將洗凈干燥后的生物質(zhì)材料置于管式爐內(nèi)，在氮?dú)猸h(huán)境中，以5~10 ℃/min的速度升溫至600~1000 ℃，并保持0.5~3 h進(jìn)行高溫碳化，冷卻后研磨篩分得到生物質(zhì)碳粉體A；

（2）生物質(zhì)碳表面氧化處理