[發明專利]一種具有海膽狀形貌的整體式過渡金屬磷化物電催化劑及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202110096194.X
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112909271A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 王平;唐漂萍;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: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

本發明公開了一種具有海膽狀形貌的整體式過渡金屬磷化物電催化劑及其制備方法與應用。所述催化劑由過渡金屬磷化物和載體材料組成，過渡金屬磷化物負載于載體材料表面。將載體材料加入到含有過渡金屬前驅體鹽與沉淀劑的水溶液中，經80～180℃水熱反應后，在氫氣與惰性氣體組成的混合氣氛及150～600℃溫度下進行還原熱處理后，以次亞磷酸鈉為前驅體在250～500℃溫度下進行磷化熱處理，得到具有海膽狀形貌的整體式過渡金屬磷化物電催化劑。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水合肼的電化學氧化反應。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種具有海膽狀形貌的整體式過渡金屬磷化物電催化劑及其制備方法與應用。

背景技術

伴隨著社會經濟的快速發展，能源需求量不斷增加，同時源于化石能源大量使用所帶來的環境污染等問題的日益嚴重，開發清潔能源利用技術業已成為人類社會可持續發展的關鍵基礎。

燃料電池是一種典型的能源轉換裝置，能將燃料自身所具有的化學能直接轉換成電能，具有能量轉換效率高、環境友好、可靠性高、適用范圍廣等技術優勢而備受關注，被認為是21世紀極具研究價值與應用前景的首選新能源技術。研發高效安全的燃料電池技術對于解決能源與環境等全球性問題，實現可持續發展具有重大意義。源于燃料類型的不同，燃料電池具有較寬的工作溫度范圍和多樣的性能規格，能夠被搭建成具有不同結構及不同形式的發電裝置，大至用作分布式電站用于外電網并網發電，小至運用在便攜式電源、家庭供電取暖以及電動交通工具等方面。

在尋找用于車輛或便攜式應用的可行燃料電池時，直接肼燃料電池因其諸多優異特質而廣受關注。其一在于用于直接肼燃料電池的燃料一水合肼(N₂H₄·H₂O)具有高能量密度(5.42Wh·g^–1)，較低成本以及不含碳元素的特征，這使得直接肼燃料電池具備理論電勢高(1.56V)，工作溫度低、產物環境友好等優勢。其二在于燃料一水合肼(N₂H₄·H₂O)在催化劑表面/界面發生電化學反應時，不會生成毒化中間產物，故而能本質上避免催化劑中毒問題的發生，這有利于提高催化劑催化壽命，進而延長電池使用壽命。其三在于，直接肼燃料電池工作環境溫和，可在近室溫條件下穩定工作(40～80℃)。其四，最為關鍵在于，相比于其他大多數直接液體燃料電池(DLFC)，直接肼燃料電池無需使用貴金屬作為陽極電催化劑的材料。在直接肼燃料電池體系中，采用非貴過渡金屬基催化劑甚至能夠具備較貴金屬基催化劑更為優異的電催化性能，將極大降低材料成本，這對直接肼燃料電池的大規模商業化應用極為有利。

直接肼燃料電池歷經數十年研究，目前已取得了積極進展，現已有大量儲量豐富的過渡金屬材料被發展為潛在的直接肼燃料電池陽極催化劑?；谘芯堪l現，提升催化劑性能的途徑可主要歸納為兩種：其一是將過渡金屬元素與其它金屬元素合金化或與非金屬元素形成化合物以提高催化劑本征活性，進而提高催化劑催化肼分子電化學氧化活性；其二則是運用納米結構工程策略來增加催化劑的活性位點數目，進而實現催化性能的改善。在實踐中，通常是將兩種方法相結合使用。基于這兩種方法的綜合運用，已產生了幾種代表性直接肼燃料電池陽極的催化劑，它們在近室溫下，對堿性條件下肼的電化學氧化反應展現出了高催化活性。然而，現有陽極催化劑的催化性能還不能滿足直接肼燃料電池商業化應用需求，缺乏先進、高效陽極電催化劑成為發展直接肼燃料電池技術的關鍵問題。在此，需要注意的是，由于缺乏對肼電化學氧化反應過程的深入了解，現有的篩選直接肼燃料電池陽極電催化劑的方法基本屬于經驗嘗試型。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本征活性，活性位點數和電導率等三個方面。