[发明专利]一种纳米线网络结构催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及燃料电池领域，具体而言是一种由纳米线和碳载体组成的具有网络结构特征的燃料电池阴极催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种直接将储存在燃料中的化学能转变为电能的能量转换装置，由于其无需经过卡诺循环，能量密度和能量转换效率高，是一种新型的绿色能源技术。燃料电池根据电池使用的电解质的性质不同，可分为五类：以氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池，以浓磷酸为电解质的磷酸燃料电池，以全氟或部分氟化磺酸型质子交换膜为电解质的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，以熔融锂-钾碳酸盐或锂-钠碳酸盐为电解质的熔融碳酸盐燃料电池，和以固体氧化物为氧离子导体的固体氧化物燃料电池。PEMFC与其他类型的燃料电池相比，具有室温快速启动和可按负载要求快速改变输出功率的优点，是电动车、军事装备等各种便携式电源和移动式电源的最佳候选电源技术之一。

目前，虽然常温下工作的PEMFC的结构设计和制备技术方面已经取得了很多进展，但是，与已经实用化的蓄电池相比，PEMFC商业化的难度还很大。关键需要研究解决的问题之一是燃料的供给方式、运输和储存，比如，采用氢气作为燃料，气体的储存和运输不方便；若采用甲醇作为燃料，不可避免要考虑甲醇的毒性带来的安全问题。最近，在PEMFC基础上研发出来的直接硼氢化钠燃料电池(DBFC)，无需经过卡诺循环，可直接将储存在液体燃料(碱性硼氢化钠溶液)中的化学能转变为电能，使系统体积进一步小型化，并且无毒的硼氢化钠溶液便于存储和使用。DBFC具有理论能量密度高、工作电压高和无毒等优点，因此，有关DBFC的研究受到广泛的关注。

常温工作的DBFC通常需要以贵金属材料为阴极催化剂，寻找新的价格较低的非贵金属催化剂对于降低催化剂成本具有重要意义。传统的DBFC的阴极催化剂通常为碳担载铂。Pt/C催化剂对氧气还原反应具有很好的催化能力，在催化反应过程中，氧气通常得到经由阳极传来的电子并与水结合在Pt颗粒表面形成氢氧根离子从而完成氧气的还原反应。显然地催化剂颗粒中只有表层的原子真正有效地参与催化反应，催化活性的优劣关键取决于金属颗粒最外层原子的排列结构。一些研究结果表明低指数密排晶面上的原子往往具有优异的催化活性，因为这些原子的悬挂键最多。若能使催化剂颗粒暴露在外面的晶面恰好是这些低指数密排面，则可有效提高催化活性。此外，在氧气催化还原反应中电子与水的传输是另外两大关键控制步骤。理想的催化剂结构如图1所示，催化剂颗粒有1/3体积接触碳载体，另外2/3体积“悬空”。接触碳载体的部分能充分接受经由碳载体传来的电子，而悬空部分能充分与水和氧气接触同时使氢氧根产物排走。然而实际上绝大部分的催化剂颗粒并不能恰好实现合理地与碳载体接触。多数颗粒不是完全被碳载体包覆便是几乎脱离碳载体，使得电子或者水传输受阻，进而影响催化性能。

发明内容

本发明旨在设计一种高活性催化网络结构以克服现有技术存在的不足。该网络结构由无数根纳米线交织而成，同时每根纳米线暴露在外的晶面恰好是低指数最密排面。通过纳米线与碳载体有机嵌合实现网络连通从而显著增强催化性能。

为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

采用化学法合成纳米线，通过控制合成参数（如反应温度、反应物成分、反应时间等）以调控纳米线生长机制从而获得低指数最密排面恰好暴露在外的纳米线。纳米线直径范围为5～110 nm，长度范围为0.1～30                                                ；催化剂中纳米线相互接触构建成网状骨架结构，碳载体随机分布在纳米线网络中形成具有良好透气透水和导电特性的网络结构；该网络结构的平均微孔直径范围0.5～500 。

使用一定的分散剂和辅助粘结剂将碳载体与纳米线机械混合并干燥从而获得纳米线与碳载体组成的具有网络结构特征的催化剂。通过控制合成参数以调控纳米线的直径与长度，并通过控制纳米线与碳载体的体积比，以及分散剂和辅助粘结剂的用量，从而制备出具有合理的网络连通结构特征的催化剂。纳米线有一部分被碳载体包覆，其余部分可与其他纳米线相互接触，无数根纳米线相互连接实现网络多点接触。由于电子在纳米线中的传导极快，可瞬间到达网络上任何一处与水和氧气发生还原反应。同时网络结构透气透水性高，能实现水与氧气的顺畅进出。从而保证催化过程中电荷传导与物质传输的顺利进行，保障高催化活性的实现。

可用于本发明的纳米线是如下材料的任意一种或者多种：Ag、Cu、Au、Pd、Ni、Fe、Co、镍的氧化物、铁的氧化物、钴的氧化物的纳米线。