[发明专利]一种用于空气电池或燃料电池阴极的混合相莫来石型电催化剂

说明书

一种用于空气电池或燃料电池阴极的混合相莫来石型电催化剂，将混合相莫来石材料应用为空气电池或燃料电池阴极催化剂，实现本专利发明目的的必要技术特征在于混合相莫来石电催化剂的制备，该混合相氧化物包括莫来石相，尖晶石相和萤石相。将其制作于空气电池或燃料电池阴极催化层，证实其有可以与铂金相媲美的催化性能。而且此种催化剂在中性环境下仍然具有较好的催化性能与较低的过电势。本发明的特征一在于首次发现混合相莫来石可以用做空气电池或燃料电池的阴极催化剂，特征二在于催化层的制备方法。

技术领域

一种空气电池或者燃料电池阴极用混合相莫来石电催化剂。

背景技术

能源与环境问题一直是人们关注的焦点。人类社会进入工业化阶段后，化石燃料(主要包括石油、煤炭和天然气)成为人类生存与社会进步的物质基础。然而，化石燃料对自然环境也造成了不可逆转的污染，带来大量废水、废气、废渣、废热的排放。并且，随着能源需求量的进一步增加，储量有限的化石燃料将日益减少并且终将枯竭。因此，世界各国都在寻找具有高效的能源利用效率、环境友好可再生的新能源。

空气电池和燃料电池以其零污染、能量转化率高、适用范围广等多种优点成为新能源的研究热点。燃料以电化学反应的方式将其储备的化学能转化为电能，不经过热机过程，所以也就不受卡诺循环的限制，实际的能量转换效率可以达到40％-60％。

目前，限制燃料电池技术发展的主要因素是阴极的反应速率。在电池的阴极，参与反应的氧气由空气中引入并在电极上得到电子被还原，该反应的速率远小于阳极反应速率。因此，寻找一种廉价且高效的氧还原反应(ORR)催化材料就成为了燃料电池领域的研究重点。

之前的研究证实铂纳米颗粒具有良好的催化性能，但铂元素在地壳中储量少，价格昂贵，无法满足大规模生产的要求，且负载Pt的活性炭随着使用时间的增长会发生降解，因而造成催化剂流失。钙钛矿型氧化物虽然也是研究的热点，但其在中性溶液中表现出过高的过电势，在酸性溶液中会发生降解，只能在碱性环境中使用，这也限制了它的广泛应用。

2012年，混相莫来石氧化物被成功研发。该莫来石材料具有良好的耐久性，制作过程简单，便于实现大规模生产，所使用的过渡金属和稀土元素储量丰富，从而能显著降低生产成本。实验证明，在柴油机燃烧温度300℃时，该混相莫来石对汽车尾气的催化效率比铂金高45％以上。这是最近二十几年氧化物催化剂实现工业化发展的重要突破，使得在汽车尾气处理中氧化物代替昂贵的铂金催化剂成为现实。该研究成果已经发表在全球最权威的顶级学术杂志《科学》上(2012年8月刊，总第337卷)。

本发明首次报道了该混合相莫来石材料应用为燃料电池阴极催化剂。该锰基混相氧化物包括莫来石相，尖晶石相和萤石相，我们以化学式Mn₇CeSmSrO₁₄的混相莫来石为例来说明问题，但本发明不仅限于此配比，其他比例的混相莫来石对氧还原反应同样有催化效果。将其制作于燃料电池阴极催化层，证实其催化性能可以与铂金相媲美。相比于钙钛矿材料，此种催化剂在中性环境下仍然具有较好的催化性能与较低的过电势。

发明内容

本发明首次将混合相莫来石材料应用为燃料电池阴极催化剂。该锰基混相氧化物包括莫来石相SmMn₂O₅，尖晶石相Mn₃O₄和萤石相CeO₂，我们以化学式Mn₇CeSmSrO₁₄的混相莫来石为例说明问题，但本发明不仅限于此配比，其他比例的混相莫来石对氧还原反应同样有效果。将其制作于燃料电池阴极催化层，证实其催化性能可以与铂金相媲美。相比于钙钛矿材料，此种催化剂在中性环境下仍然具有较好的催化性能与较低的过电势。

具体来说，本发明提供了将混合相莫来石材料应用为空气电池或者燃料电池阴极催化剂，锰基混相氧化物为莫来石相SmMn₂O₅，尖晶石相Mn₃O₄和萤石相CeO₂的混合相。