[發(fā)明專利]一種燃料電池催化劑及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011452719.0
• 申請(qǐng)日: 2020-12-11
• 公開（公告）號(hào): CN112490455A
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王海龍;李強(qiáng);張珂皓;邵俊永;邵剛;宋博;朱錦鵬;范冰冰;許紅亮;盧紅霞;張銳;王志強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 鄭州大學(xué);河南省功能金剛石研究院有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/90
• 分類號(hào): H01M4/90;H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 鄭州浩德知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 41130
• 代理人: 邊鵬

本發(fā)明提出了一種燃料電池催化劑，催化劑為具有三維多孔結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬氧化物微米球負(fù)載的石墨化納米金剛石；過(guò)渡金屬氧化物為CoO/Co₃O₄，本發(fā)明提供的燃料電池催化劑的制備方法，具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)參數(shù)容易控制和易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電池催化劑技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種燃料電池催化劑及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著全球能源危機(jī)的日益嚴(yán)重，尋求一種高效、清潔、環(huán)境友好的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)備受關(guān)注，同時(shí)由于其比能量大，發(fā)電效率高，環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)， 燃料電池（PEMFC）已成為新一代發(fā)電技術(shù)。近些年來(lái)已經(jīng)從航空領(lǐng)域逐漸延伸到汽車、電子設(shè)備等領(lǐng)域。然而，在商業(yè)化程度上，燃料電池始終面臨著陰極催化劑穩(wěn)定性差、成本高昂等問(wèn)題。因此, 提高催化劑穩(wěn)定性，降低催化劑制備成本的相關(guān)研究一直是熱點(diǎn)內(nèi)容。

目前燃料電池使用的催化劑主要是Pt/C催化劑，該催化劑在使用過(guò)程中容易被氧化，從而發(fā)生結(jié)構(gòu)塌陷，使得負(fù)載的Pt流失或者團(tuán)聚，導(dǎo)致催化劑失活。因此結(jié)晶度高、抗氧化能力強(qiáng)的新型碳材料開始被應(yīng)用于該領(lǐng)域。金剛石由于其穩(wěn)定的sp³雜化結(jié)構(gòu)，具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗氧化性能，并且耐酸堿腐蝕，這些特點(diǎn)使得金剛石成為替代碳載的熱門材料。過(guò)渡金屬氧化物由于其優(yōu)異的穩(wěn)定性、合適的活性且易于合成，被認(rèn)為是有希望替代Pt的ORR催化劑。

因此，為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種燃料電池催化劑及其制備方法，以過(guò)渡金屬氧化物作為負(fù)載材料，保留有金剛石核心的前提下還能提供良好的抗甲醇氧化性和穩(wěn)定系，使得催化劑擁有更好的穩(wěn)定性是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明正是基于上述技術(shù)問(wèn)題至少之一，本發(fā)明提出了一種燃料電池催化劑以及制備方法，本發(fā)明制備的燃料電池催化劑效果好，擁有三維多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，ORR催化活性高，同時(shí)擁有良好的抗甲醇氧化性和穩(wěn)定性。該方法具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、反 應(yīng)參數(shù)容易控制和易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

有鑒于此，本發(fā)明提出了一種燃料電池催化劑，催化劑為具有三維多孔結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬氧化物微米球負(fù)載的石墨化納米金剛石；過(guò)渡金屬氧化物為CoO/Co₃O₄。

本發(fā)明提供的一種燃料電池催化劑具有三維多孔結(jié)構(gòu)的Co氧化物，能夠增加催化劑的比表面積，暴露更多的表面Co²⁺ 和Co³⁺ ，為催化劑提供更多的活性位點(diǎn)。本發(fā)明通過(guò)水熱法合成了具有三維多孔結(jié)構(gòu)，比表面積高的CoO/Co₃O₄花狀微米球負(fù)載的石墨化納米金剛石燃料電池催化劑。

根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)方向，提出了制備燃料電池催化劑的方法，包括如下步驟：

（1）制備表面石墨化的納米金剛石，并將納米金剛石與尿素、葡萄糖、鈷鹽和水混合，60-80℃下加熱攪拌1-2 h，隨后進(jìn)行分散20-30min；

（2）將步驟（1）所得溶液轉(zhuǎn)移到帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中， 120-150℃，反應(yīng)12-36 h；自然冷卻，抽濾洗滌，干燥得到粉末；

（3）將步驟（2）所得粉末在惰性氛圍中加熱到400-800℃，保溫2-3 h后冷卻即得。

本發(fā)明提供的制備燃料電池催化劑的方法生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，材料復(fù)合效果好，穩(wěn)定性高，催化活性好。

進(jìn)一步的，鈷鹽六水合硝酸鈷或六水合氯化鈷，其中鈷鹽中鈷元素的初始添加量為表面石墨化的納米金剛石碳元素質(zhì)量的20-40 %。

進(jìn)一步的，尿素和葡糖糖的加入量分別為Co元素質(zhì)量的10-15倍和5-10倍。

進(jìn)一步的，表面石墨化的納米金剛石制備方法為將納米金剛石放入真空燒結(jié)爐中在氬氣氣氛下加熱到1300-1500℃，并保溫1-2 h。