[发明专利]一种以聚苯并咪唑为氮源的非铂燃料电池催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及非铂燃料电池电催化剂的制备，具体涉及到一种moMWCNT/PBI(Co)催化剂 的制备方法，属于燃料电池催化剂技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池作为一种新型能源，可将存在于燃料中的化学能直接转化成电能的 装置，因为其具有转化效率高，不受Carnot循环的限制、污染小、燃料多样化、比能量和 比功率高等优点，被认为是具有大规模替代现有化石能源的新型能源。影响质子交换膜燃料 电池性能的主要因素是阴极的氧气还原反应。传统上，作为氧气还原反应的催化剂材料应用 最多的是铂基材料，铂基材料催化剂在酸性和碱性条件下都具有较高的催化性能，但随着铂 基材料催化剂的商业化应用，也面临着一些挑战，主要挑战来自于铂材料的昂贵价格，从而 使质子交换膜燃料电池的成本太高，除此之外，铂基催化剂还有选择性低和耐久性差一系列 挑战。因此，发展非铂金属材料催化剂已经吸引了更多人们的关注。尽管在过去的几年中人 们对非铂掺氮碳基电催化剂做了大量的研究，也取得了一些不错的成果，但非铂掺氮碳基催 化剂相比Pt/C催化剂而言，在ORR催化活性上仍存在着较大的差距，因此，继续研究非铂 掺氮碳基电催化剂，寻找新的掺氮源并对其进行改性，以提高掺氮碳基电催化剂的含氮量对 催化活性和稳定性的提高具有重要意义。

本发明以中度氧化后的多壁碳纳米管为载体，以聚苯并咪唑为氮源，负载金属钴并高温 煅烧制备电催化剂，尚未见公开的文献或专利报道。

发明内容

本发明提供了一种工艺简单、高催化活性和稳定性的燃料电池电催化剂的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下五个步骤：

第一步，碳纳米管的中度氧化；

优选方法：将碳纳米管煅烧后放入浓硫酸中12h进行预氧化，加入硝酸钠和高锰酸钾， 其中控制所加的高锰酸钾和多壁碳纳米管的质量比为1:1，反应温度控制在45℃以下，最后 逐滴加入去离子水和30％双氧水，结束反应，再依次经冷却、过滤、洗涤和干燥得到中度 氧化的多壁碳纳米管。

进一步优选：煅烧条件：500℃条件下煅烧1h；煅烧后的碳纳米管g：浓硫酸ml：硝酸 钠mg为1:23:200。

第二步，聚苯并咪唑的微波合成；

优选在反应瓶中加入多聚磷酸、联苯四胺和己二酸或加入多聚磷酸、联苯四胺和2,6- 吡啶二甲酸，然后放入微波合成器中，进行程序升温反应，反应结束后，倒入去离子水中充 分水解，经过滤后浸泡在饱和的碳酸氢钠溶液中24h，抽滤、水洗至中性、醇洗，干燥，得 到聚苯并咪唑；

第三步，moMWCNT/PBI的合成；

将第二步的聚苯并咪唑溶解在N,N-二甲基乙酰胺溶液中，然后加入第一步中度氧化的 碳纳米管，超声1h，反应结束，依次过滤、洗涤、干燥得到moMWCNT/PBI复合物；

中度氧化的碳纳米管和聚苯并咪唑的质量比例优选为1:(0.5—1)。

第四步，moMWCNT/PBI(Co)的合成；

将Co(CH₃COO)₂·4H₂O固体溶于甲醇溶液中搅拌，然后加入步骤三中制备的 moMWCNT/PBI复合物，搅拌反应，反应结束，依次经过滤、洗涤、干燥得到 moMWCNT/PBI(Co)复合物；加入的两种物质的质量比优选为Co(CH₃COO)₂·4H₂O： moMWCNT/AdPBI的质量比＝5:(2-5)，Co(CH₃COO)₂·4H₂O：moMWCNT/PyPBI的质量比 ＝1:(0.5-1.5)。

第五步，moMWCNT/PBI(Co)高温煅烧；

将步骤四中制备的moMWCNTs/PBI(Co)复合物放到通氮气的管式炉中进行高温煅烧， 自然冷却至室温，得到最终电催化剂。

优选：升温前通N₂将管式炉内的空气排尽，然后以4℃·min^-1的速率升温到600-900℃ 后停止加热，在N₂气氛中自然冷却至室温。