[发明专利]一种炭凝胶催化剂及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池催化剂，具体地说是一种高活性炭凝胶催化剂在燃料电池阴极中的应用。

背景技术

燃料电池是一种直接将物质的化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池不以热机形式工作，发电过程不受卡诺循环的限制，其中的大部分燃料的化学能可直接转换为电能，能量转化效率可达到40～60％。同时，燃料电池发电过程中几乎不产生二氧化硫、氮氧化物和悬浮物等有害物质，也不放出温室气体二氧化碳，符合当今社会环保理念。同时，燃料电池所需辅助设备少，省去了大量输电线，操作方便可靠、灵活性大。这些优点使燃料电池被公认为是21世纪首选的清洁、高效的发电技术，近年来受到各国政府和企业的高度重视。

目前电催化剂作为燃料电池关键材料，其材料及制备成本、电化学反应活性和长期运行的稳定性是实现燃料电池商业化最大的障碍。以常见的质子交换膜燃料电池为例，Pt等贵金属材料是在PEMFC中应用最为广泛的催化剂材料，其有限的资源、昂贵的价格以及复杂的制备工艺导致燃料电池的价格不能大幅度降低，成为燃料电池商业化的瓶颈。近年来，非Pt催化剂一度成为各国燃料电池研究人员研究开发的重点和热点，非Pt氧还原阴极催化剂主要包括过渡金属簇化合物、过渡金属大环化合物、过渡金属氧化物以及过渡金属碳氮化合物等。非Pt催化剂较好的催化剂活性和低廉的价格使其成为取代Pt基催化剂最有力的获选，然而由于非Pt材料在燃料电池工作的高电位弱酸、碱性条件下，极易发生副反应导致催化剂的流失，因而稳定性方面距离实际应用还存在很大差距。因此，为实现燃料电池的商品化应用，开发一种高活性、高稳定性、价格低廉的非贵金属燃料电池阴极催化剂迫在眉睫。

碳材料凭借其低廉的成本，丰富的孔结构，适宜的比表面积和优良的导热导电性能，广泛地应用于燃料电池的电催化剂载体和多孔气体扩散电极的骨架。碳材料本身对氧还原反应没有活性，但通过掺杂修饰等方法，改进碳材料结构、组成以及表面官能团，可以使碳材料本身对氧还原反应产生催化活性，然而活性较低、稳定性较差。因而，开发研制一种具有较高氧还原活性和抗氧化腐蚀性能的碳材料作为燃料电池催化剂，将大幅度降低材料成本，提高电池长期工作的稳定性，对燃料电池的商业应用具有重要意义。

炭凝胶材料具有较高的导电性能、较大的中孔比例、适宜的比表面积等特性，以往经常用作燃料电池载体。研究表明，氮化处理后的碳材料在氧还原反应中具有较高的氧还原活性；同时，金属掺杂的材料可以在相同热处理过程中获得更高的石墨化度，间接降低了石墨化碳材料的制备成本，提高了碳材料的抗氧化腐蚀性能。因而，金属掺杂氮化炭凝胶材料具有良好的氧还原活性和电化学稳定性，其在质子交换膜燃料电池的运行的酸性条件下可以稳定存在。金属掺杂氮化炭凝胶材料具有较大的比表面积可为反应提供大量有效的电化学活性位；同时适宜的孔结构成为反应物和产物顺利传输的通道；另外，良好的导电导热性能使其成为燃料电池系统中最佳的应用材料之一。金属盐的添加在降低炭凝胶材料石墨化温度的同时，提高了其在氮化气氛中的氮掺杂度，增加了电化学反应活性位点。经过金属掺杂氮化处理的炭凝胶催化剂在燃料电池中表现出较高的氧还原活性和稳定性。因此，采用氮化炭凝胶这种非金属材料作为燃料电池电催化剂，可以大大降低催化剂材料成本，提高燃料电池的稳定性，推动燃料电池的商业化应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种炭凝胶催化剂及其在燃料电池中的应用；炭凝胶具有较大的比表面积、适宜物质传输的中孔结构和良好的导电导热性能，作为燃料电池极催化剂，长期运行抗腐蚀性稳定性好、氧还原反应活性高。

本发明的另外一个目的在于提供一种碳凝胶催化剂M-CN(M＝Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、W、Ir、V、Cr、Mn等)的制备方法；

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种炭凝胶催化剂及其应用，所述炭凝胶作为催化剂，用于燃料电池阴极中；

所述炭凝胶以间苯二酚、甲醛和金属盐为原料，采用如下过程制备获得，

(1)将间苯二酚和溶剂按0.1～10ml溶剂/1g间苯二酚的比例，搅拌混合溶解均匀，得到透明溶液A；

(2)将可溶性金属盐加入到上述溶液A中，搅拌混合均匀，得到溶液B，其中间苯二酚与金属盐中金属原子的摩尔比为10∶1～1500∶1；

(3)按间苯二酚与甲醛摩尔比1∶1～4∶1的比例，向搅拌中的溶液B中滴加质量浓度为20-40％甲醛溶液，搅拌混合均匀，在20～100℃密封环境中持续搅拌直至反应形成凝胶C；