[发明专利]一种催化剂在碱性燃料电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及碱性燃料电池领域，具体地说是一种高分散、高活性的碱性燃料电池电极催化剂。

背景技术

燃料电池是一种电化学发电装置，它等温的按电化学方式直接将化学能转化为电能，不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高。同时，它还是一种环境友好的能量转化装置，几乎不排放氮和硫的氧化物。

质子交换膜燃料电池作为燃料电池的一种，除具有燃料电池的一般特点，同时还具有可室温快速启动、比功率与比能量高等突出特点，至今已被看作电动车、潜艇和各种可移动电源的最佳候选者，成为世界各国研究、竞争的焦点。质子交换膜燃料电池以全氟或部分氟化的磺酸型质子交换膜为电解质，在运行时，电池内部具有强酸性、高水含量、高电势和高氧浓度的环境，对电极材料有很强的腐蚀性。一般的过渡金属基催化剂，甚至普遍使用的Pt基催化剂都不能满足其商业化要求。

与之相比，碱性体系的燃料电池具有很多优点，其能量转化效率高，可采用价格低廉的碱性膜，对电极和双极板材料的腐蚀较弱，因此具有很好的应用前景。

在碱性体系中，商业化的催化剂同样是Pt基催化剂，为了降低催化剂的成本，非Pt催化剂的开发一直是研究的热点。目前公布的文献和专利中，涉及到碱性燃料电池催化剂的，大多以过渡金属氧化物和储氢合金作为活性组分，而以过渡金属-氮的复合物作为主要活性组分的催化剂未见报道。但是不论从改进碱性燃料电池催化剂的各项性能方面，还是从降低催化剂的成本方面，复合物催化剂的研究都对碱性燃料电池的发展具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高活性的燃料电池用催化剂。通过半电池表征，该催化剂表现出较好的性能。本发明催化剂适用于碱性燃料电池，相同操作条件下，与目前普遍采用的Pt/C催化剂相比，本发明催化剂表现出较好的性能，且成本较低。

本发明的具体内容如下：

本发明催化剂为担载型催化剂，活性组分由N与金属组分组成。所述金属组分为Fe、Co、Ni、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Cd、W、Sn和Pb的一种或一种以上，也可添加Pt，Pd，Ir，Ru，W，Mo，Ti，Zr，Sn，Fe，Co，Ni，Cr，Mn，V，Cu及其氧化物的一种或一种以上作为辅助成分。

催化剂中N与金属组分的原子比为20∶1～0.1∶10，活性组分的担载量为催化剂总重量的10～80％，辅助成分的担载量为催化剂总重量的1～40％。

所述载体为导电性碳材料，比表面积为30～3000m²/g，可以是活性碳、石墨碳、碳纳米管、碳纤维、碳微球、炭气凝胶的一种或一种以上。

本发明提供的担载型催化剂制备过程如下所述：

(1)将含N的可溶性前驱物(一种或一种以上)和金属活性组分的可溶性前驱物(一种或一种以上)溶解于溶剂中，充分搅拌、超声混合均匀，有时需要加热。由于金属外层具有电子空轨道，N的外层具有孤对电子，因此可在金属与N之间形成配位键，得到含有金属-N配合物的溶液A；

(2)为了使配合物能够均匀的分散在载体上，将载体和溶剂按0.1～200mL溶剂/mg载体的比例，超声混合均匀，得到浆料B；

((3)将溶液A和浆料B混合，进一步超声，搅拌，混合均匀，使配合物均匀的吸附或沉积在载体上，得到浆料C；

(4)加热将浆料C中的溶剂去除，在50～150℃下真空干燥，得到固体粉末D；

(5)将固体粉末D在惰性气体或NH₃气氛或二者的混合气氛中300～1000℃下处理1～10小时，惰性气体吹扫至室温，即得本发明的催化剂。

所述载体为导电性碳材料，比表面积为30～3000m²/g，可以是活性碳、石墨碳、碳纳米管、碳纤维、碳微球、炭气凝胶的一种或一种以上。

所述含N的可溶性前驱物为C₂～C₁₆的胺、含氮的杂环化合物或含苯环的氨基化合物的一种或一种以上；金属活性组分的可溶性前驱物为活性组分金属的硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐、卤化物、二亚硝基二胺盐、乙酰丙酮化物、或大环络合物卟啉、酞箐及其聚合物中的一种或一种以上；所述溶剂为水、C₁～C₈一元醇、C₂～C₈二元醇或C₃～C₈三元醇中的一种或一种以上。