[发明专利]一种燃料电池用非贵金属催化剂及其制备方法和燃料电池

说明书

技术领域

本发明属于电化学能源领域，尤其涉及一种燃料电池用非贵金属催化剂及其制备方法和燃料电池。

背景技术

随着化石燃料的枯竭和环境污染日趋严重，作为未来可持续发展和分布式的产电装置，燃料电池以其效率高、低二氧化碳排放、模块化和稳定性好等优势吸引力研究者们的广泛关注。目前，铂和铂合金以其高的催化活性被广泛用作燃料电池催化剂。但是由于铂价格昂贵，储量有限，抗甲醇毒化能力低等缺点限制了燃料电池的大规模商业化。因此，发展高效价廉的催化剂成为燃料电池产业化的关键突破口。

石墨化碳氮化合物，通常简写成g-C₃N₄，是一种结构类似于石墨烯的二维结构材料，由三嗪C₃N₄或者三重三嗪C₆N₇通过叔胺相互连接。单层的g-C₃N₄具有高的比表面积(2500cm²/g)，高的氮含量(60.9wt％)以及易与过渡金属形成络合物等特性，是合成非贵金属催化剂的理想的氮源。尽管g-C₃N₄在光催化领域受到广泛研究和关注，然而其在电催化领域并没有引起太多的关注，而未发挥其应有的潜力。研究表明，纯的g-C₃N₄在酸性介质中的具有氧还原活性，且其基础活性比纯碳要高。由于g-C₃N₄具有较差的电子传输特性，使得g-C₃N₄的催化反应局限在很窄的三相界面区，导致纯的g-C₃N₄表现出较差的氧还原反应活性。目前对g-C₃N₄改进方法主要局限于形貌结构的优化以及与高比表面积的碳支撑体进行复合，但是由于g-C₃N₄本征结构并未发生改变，导致其催化活性依然不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种燃料电池用非贵金属催化剂及其制备方法和燃料电池，旨在通过改变g-C₃N₄的结构，进而提高其催化活性和氧吸附能力。

本发明是这样实现的，一种燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：

制备氧掺杂g-C₃N₄；

利用氧掺杂g-C₃N₄与过渡金属盐制备纺丝液，对所述纺丝液进行静电纺丝处理，获得前驱体样品；对所述前驱体样品进行高温处理，获得非贵金属催化剂。

进一步地，所述制备氧掺杂g-C₃N₄包括：

制备三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液，将两种溶液中的其中一种的pH值调节为2～13；

将两种溶液混合，获得沉淀，将所述沉淀过滤，得到前驱体化合物；

将所述前驱体化合物进行热聚合反应，得到氧掺杂g-C₃N₄。

进一步地，所述三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液中的三聚氰酸与三聚氰胺的质量比为1～10:1～10；

进一步地，所述三聚氰酸溶液和三聚氰胺溶液的溶质质量分数均为1％～15％。

进一步地，所述将所述前驱体化合物进行热聚合反应包括：

将所述前驱体化合物置于保护气体中进行加热，所述加热过程包括：升温至350～450℃，保温0.5～5h，升温速率为1～10℃/min；再升温至500～650℃，保温0.5～5h，升温速率为1～10℃/min。

进一步地，所述利用氧掺杂g-C₃N₄与过渡金属盐制备纺丝液包括：

将氧掺杂g-C₃N₄置于DMF中，超声分散5～30min；加入过渡金属盐，密封搅拌；加入PAN的DMF溶液，制成纺丝溶液。

进一步地，所述静电纺丝处理的纺丝电压为5-30kV，进料速度为0.8-2mL/h，纺丝距离为6-18cm。

进一步地，所述高温处理包括：

升温至700～1000℃，保温0.5～5h，升温速率为1～10℃/min。

本发明还提供了一种燃料电池用非贵金属催化剂，采用上述所述的制备方法制成。