[發明專利]原子級分散抗毒化的碳基復合材料、其制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202110371934.6
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113113619A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 葛君杰;王顯;李陽;楊小龍;邢巍;劉長鵬;李晨陽;梁亮;金釗;劉世偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春應用化學研究所
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/92
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 李偉

本發明提供了一種原子級分散抗毒化的碳基復合材料的制備方法，包括以下步驟：A)將配體、貴金屬鹽和溶劑混合，反應，得到前驅體；B)將所述前驅體煅燒，得到原子級分散抗毒化的碳基復合材料。本申請制備了一種以碳材料為基，其表面負載貴金屬原子，且碳材料中的氮原子與貴金屬原子形成配位的碳基復合材料材料。本申請提供的碳基復合材料作為氫氧燃料電池的陽極催化劑穩定性好、具有良好分散性；與現有的商業鉑碳催化劑相比，抗毒性更好，氧化CO能力更強。

技術領域

本發明涉及催化劑及其制備技術領域，尤其涉及一種原子級分散抗毒化的碳基復合材料、其制備方法及其應用。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種燃料不經過燃燒直接通過電化學反應將燃料的化學能轉化為電能的發電裝置。相較于傳統內燃機通過高溫熱化學燃燒將化學能轉化為熱能，再經由傳動裝置將熱能轉化為機械能并用于推動發電機發電的能量利用方式，質子交換膜燃料電池的能量轉化過程不單轉化歷程大量縮短，而且因跳過內能向機械能轉化過程，不受卡諾循環限制而具有更高的能量轉化效率；同時，其還能避免燃料和空氣在高溫高壓燃燒時產生的大量氮氧化物、硫氧化物等重要的汽車尾氣污染物(Malko D,Kucernak A,Lopes T.In situ electrochemical quantification of active sites in Fe–N/C non-precious metal catalysts.Nat Commun,2016,7,13285；Tse EC,Barile CJ,Kirchschlager NA,Li Y,Gewargis JP,Zimmerman SC,Hosseini A,Gewirth AA.Protontransfer dynamics control the mechanism of o2reduction by a non-preciousmetal electrocatalyst.Nat Mater,2016,15(7):754-759)。

相較于普通電池或二次儲存電池(鋰電池、鋰離子電池等)，燃料電池的化學能供給方式是一種更接近與內燃機的發電裝置，其燃料池獨立于電堆系統之外，可以由外部燃料池源源不斷的向電池系統提供燃料而持續工作，因此具有比鋰電池等更好的續航能力，是一個尺寸可靈活調節的可移動發電站(Zitolo A,Goellner V,Armel V,Sougrati MT,Mineva T,Stievano L,Fonda E,Jaouen F.Identification of catalytic sites foroxygen reduction in iron-and nitrogen-doped graphene materials.Nat Mater,2015,14(9):937-942；Kramm UI,Herrmann-Geppert I,Behrends J,Lips K,Fiechter S,Bogdanoff P.On an easy way to prepare metal–nitrogen doped carbon withexclusive presence of men4-type sites active for the orr.J.Am.Chem.Soc.,2016,138(2):635-640)。

但是，在燃料電池技術可以在電力市場中占有重要份額之前，必須解決重要問題。這些問題包括燃料的最佳選擇以及燃料電池中替代材料的開發。對于包含痕量CO的燃料，作為成功開發商用PEMFC系統的最具挑戰性的任務之一，需要耐CO的催化劑。盡管經過多年的努力，仍然無法獲得高效的抗中毒催化劑，其中最好的PtRu/C催化劑既表現出犧牲的H₂氧化行為，又具有不令人滿意的CO抗中毒特性。

隨著單原子催化劑(SACs)領域的興起，CO在單原子催化位點上的吸附強度將顯著減弱，與之同時金屬納米顆粒的尺寸減小也極大降低金屬載量。基于此，開發新型抗毒化氫氧燃料電池陽極催化劑勢在必行。

發明內容

本發明解決的技術問題在于提供一種原子級分散抗毒化的碳基復合材料，該復合材料作為氫氧燃料電池陽極催化劑具有較高的穩定性和抗毒性。