[發(fā)明專利]堿性體系直接甲醇燃料電池陽極催化劑及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310608428.3
• 申請日: 2023-05-27
• 公開（公告）號: CN116613330A
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發(fā)明（設計）人: 張雨娟;胡嫚嫚;胡拖平;安富強;宋江鋒;高建峰
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M8/1011
• 代理公司: 太原華弈知識產權代理事務所 14108
• 代理人: 李毅

本發(fā)明公開了一種堿性體系直接甲醇燃料電池陽極催化劑，是采用碳纖維布作為載體，以其負載可溶性的鎳鹽和鎢酸鹽及硫脲進行水熱反應，惰性氣氛下700℃煅燒得到的、由鎳鎢雙金屬納米晶負載在碳纖維布上形成的復合催化劑NiWOsubgt;4/subgt;/WOsubgt;2/subgt;?700@CC。本發(fā)明催化劑對甲醇具有很強的電催化氧化活性，峰值電流密度可達287mA?cmsupgt;?2/supgt;，并具有良好的穩(wěn)定性，作為堿性體系直接甲醇燃料電池陽極催化劑，具有優(yōu)良的電化學反應活性。

技術領域

本發(fā)明屬于電化學催化氧化技術領域，涉及燃料電池陽極催化劑，特別是涉及堿性體系下的直接甲醇燃料電池非貴雙金屬合金材料陽極催化劑及其制備方法。本發(fā)明制備的催化劑可以用于甲醇燃料的電化學催化氧化。

背景技術

隨著現(xiàn)代工業(yè)文明的發(fā)展，傳統(tǒng)不可再生化石燃料日益枯竭，當前發(fā)展可持續(xù)綠色能源對話技術就顯得尤為必要和迫切。直接甲醇燃料電池（DMFC）作為一種很有前途的化石燃料候選電池，以其低污染物排放、能量密度高和易于處理而受到人們的廣泛關注。直接甲醇燃料電池中許多參數(shù)直接限制其的轉換效率，如膜滲透、CO中毒和電催化劑性能等等，而其中最迫切需要解決的技術則是尋找一種高效的電催化劑，以促進甲醇氧化反應（MOR）。

鉑催化劑已被證明是MOR中一種有效的電催化劑，但資源稀缺、價格昂貴、易受一氧化碳中毒等因素限制了其的大規(guī)模應用。如何開發(fā)低成本、高效的MOR電催化劑，是目前必須解決的關鍵問題。

過渡金屬的合金、金屬氧化物和氫氧化物成本低，不易中毒，被廣泛用作MOR的電催化劑。其中，金屬鎳一直被認為是主要的催化活性組分，并且大量文獻報道了鎳基材料用作MOR電催化劑的研究。然而，大多數(shù)這類電催化劑的活性和穩(wěn)定性仍然不能滿足實際的需求，例如在本發(fā)明的甲醇電化學氧化反應活性測試條件下，單質鎳催化劑的峰值電流密度僅有129mA?cm²。

為進一步提高催化劑性能，目前采用了多種方法，包括金屬或非金屬摻雜、異質界面工程和結構工程策略等。通過金屬摻雜，不同金屬間的協(xié)同效應可以為催化劑提供豐富的活性位點，調節(jié)電子結構，提高導電性等。

吳等（Facile?Synthesis?of?Cu/NiCu?Electrocatalysts?Integrating?Alloy,Core-Shell,?and?One-Dimensional?Structures?for?Efficient?Methanol?OxidationReaction.? ACS?Appl?Mater?Interfaces,?2017,?9(23):?19843-19851.）采用簡單的一鍋法制備了集成合金Cu/NiCu納米線（NWs），由于雙金屬的協(xié)同作用，使得該催化劑具有極好的催化活性和穩(wěn)定性，在1.55V的過電位下，電流密度可達34.9mA?cm^-2，在電流密度100mAcm^?2下可連續(xù)運行10000s而活性基本保持不變。

界面工程可以通過加入不同的相來調整表面的納米界面，有利于不同組分之間的電荷轉移，通過產生界面活性位點來增強本征催化活性。另外，不同組分之間的電子協(xié)同效應有利于優(yōu)化中間催化物種在活性位點上的吸附/解吸能態(tài)，為制備具有優(yōu)異本征催化活性的高效電催化劑提供了新的途徑。

雖然已經大量報道了關于MOR的催化劑，但集高活性和穩(wěn)定性一體的催化劑的制備仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，此外，這些催化劑的導電性也較差。

活性組分納米粒子的聚集或團聚一直是制備納米材料遇到的關鍵問題。為了解決這一問題，通常使用具有豐富孔隙率的導電基質作為活性材料的良好載體，包括碳纖維布（CC）、泡沫鎳、碳納米管以及其他的炭材料。但在制備電極時，需要使用粘結劑將活性組分與這些基質結合，這就不可避免地引起了電子和質傳速率的下降，同時，活性組分在使用過程中也容易脫落。