[發明專利]一種ORR催化劑材料及其制備方法和用途

在審

• 申請號: 202310252115.9
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN116111120A
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 類延華;譚寧;張玉良;常雪婷;范潤華
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/92;H01M4/88;H01M12/06;H01M8/22
• 代理公司: 北京恒律知識產權代理有限公司 11416
• 代理人: 王術娜

本發明涉及一種ORR催化劑材料，還涉及該ORR催化劑材料的制備方法，還涉及該ORR催化劑材料作為氫氧燃料電池或金屬空氣電池陰極材料的用途以及一種氫氧燃料電池或金屬空氣電池。一種ORR催化劑材料，要點在于符合以下通式：Msubgt;x/subgt;/N?Csubgt;(1?x?y)/subgt;/(CeOsubgt;2/subgt;)subgt;y/subgt;，其中貴金屬M為Pt、Pd和Au中的一種或兩種以上，x、y為質量百分數，x的范圍為5％?6％，y的范圍為4％?12％。所述的ORR催化劑材料的制備方法，要點在于催化劑前驅體材料是由貴金屬酸根摻雜的導電高分子復合材料。本發明主要解決了現有技術中ORR催化劑材料存在貴金屬分散不均勻、催化性能不夠好及催化劑材料的制備方法復雜、不環保、成本高的技術問題。

本申請是申請日為2020年11月13日、申請號為202011268676.0、發明名稱為《一種ORR催化劑材料及其制備方法和用途》的分案申請。

技術領域

本發明第一方面涉及一種催化劑材料，特別涉及一種ORR催化劑材料；本發明第二方面還涉及該ORR催化劑材料的制備方法；本發明第三方面涉及該ORR催化劑材料作為氫氧燃料電池或金屬空氣電池陰極材料的用途以及一種氫氧燃料電池或金屬空氣電池。

背景技術

隨著全球經濟的迅速發展，環境污染和能源短缺日益嚴重，如何能夠更有效和穩定地生產、利用可再生能源成為了目前人類亟待解決的課題。雖然風能、太陽能、水電和潮汐能作為綠色清潔能源，現已成為化石燃料的替代品，但這些嚴重依賴自然環境產生的能源存在間歇性和波動性的問題。隨著不斷探索，開發出的金屬空氣電池、燃料電池和電化學超級電容器都是非常有效和實用的電化學能量轉換存儲技術，并且在許多領域有著非常廣泛的應用。其中，燃料電池引起了人們的極大關注，這是因為它們具有高功率密度和低污染的特點。氧氣還原反應(ORR)作為燃料電池中最重要的陰極反應，其緩慢的反應動力學嚴重限制燃料電池的能量輸出。

為了實現燃料電池的規模應用，目前亟待解決的問題之一就是提高電極中催化劑的活性，降低貴金屬鉑(Pt)的用量從而降低成本。目前商業化的催化劑以碳擔載Pt納米顆粒為主，然而在燃料電池運行過程中，Pt顆粒容易發生遷移、團聚等導致活性降低。為了降低Pt用量、提高催化劑的活性，將過渡金屬和雜原子引入，提高催化活性的同時，防止Pt發生團聚，從而提高催化劑的穩定性。

申請公布號為CN?108384046A、申請公布日為2018.08.10的中國發明專利申請公開了一種Pt-CeO₂/多孔聚苯胺電極材料的制備。在該專利申請中，是利用電沉積的方法將Pt沉積在CeO₂/porous?PANI上。該制備方法首先合成CeO₂，而后合成制備了CeO₂/Pani復合材料，再之后通過電化學的方式沉積了Pt。該制備方法工藝復雜，Pt的分布不夠均勻。

申請公布號為CN?107394222A、申請公布日為2017.11.24的中國發明專利申請公開了氧化鈰/貴金屬/石墨烯三元復合材料及其制備方法和應用。在該專利申請中，氧化鈰/貴金屬/石墨烯三元復合材料的制備方法是將三價Ce鹽溶于還原性有機溶劑中，再加入氧化石墨烯，通過180℃-200℃條件下反應12-48小時后，洗滌干燥得到氧化鈰和石墨烯的復合材料；將氧化鈰及石墨烯的復合材料分散在還原性的有機溶劑中，加入含有貴金屬的化合物，在100-160℃反應1-6小時后，洗滌干燥得到產物。該專利申請以石墨烯為原料，成本高；而且制備過程使用了多種有機溶劑，不便于工業化生產，而且不夠環保。還原性有機溶劑的使用也引入了雜質離子影響性能。