[发明专利]一种用于氢空燃料电池阴极材料的催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于氢空燃料电池阴极材料的催化剂及其制备方法。在本发明中，该催化剂是通过将VIII族原子和Zn原子共同与有机配体配位形成金属有机框架，然后利用双溶剂法进行另外至少一种VIII族原子的吸附，再通过在惰性气体氛围下高温热解反应，有机配体配位形成非金属杂原子掺杂的碳载体，VIII族原子与非金属杂原子相互作用，并包覆在碳层里面以多原子的形式存在。本发明是以金属有机框架为前驱体，只需通过高温热解的方法便可以制得所需的催化剂，且制备方法简单易行并且是合成多原子通用的方法。本发明提供的VIII族多原子分散的催化剂具有很好的热稳定性并且在氢空燃料电池阴极氧还原催化上反应出优良的催化活性。

技术领域

本发明属于氢空燃料电池技术发明领域，具体涉及一种用于氢空燃料电池阴极材料的VIII族多原子分散的催化剂的制备方法。

背景技术

随着人类社会的发展，全球能源的消耗和气候变化等问题都引起了人们的广泛关注，因此寻找可替代的清洁能源已经迫在眉睫。目前，正在开发的新能源包括太阳能、风能、燃料电池等。其中，氢空燃料电池是一种通过氢气和空气的电极反应生成水直接将化学能转换成电能的装置，不需要充电，不会产生废气，因能量转换效率高(达60％-80％)和环境友好等优越性受到人们的关注，被认为是21世纪首选的清洁能源发电技术。但是氢空燃料电池的阴极氧还原动力学缓慢，催化剂昂贵是制约燃料电池商业化进程的一大因素。现在，铂碳是商业上最广泛使用的催化剂，氢空燃料电池的阴极为氧还原反应，阳极为氢氧化反应，而阴极的反应速率严重制约着氢空燃料电池的效率，故而阴极中铂碳的载量是阳极的10倍(0.4mg/cm²对0.04mg/cm²)。但由于Pt的价格昂贵而且地球上Pt资源非常有限，这些都是实现氢空燃料电池大规模商业化急需解决的问题之一。开发廉价、高性能的非铂催化剂来替代铂碳贵金属催化剂是解决这些问题的一个有效途径。

铂碳作为目前最广泛使用的氢空燃料电池催化剂，不仅价格昂贵而且催化剂稳定性较差，目前为止解决方法是使用铂基合金或者非铂催化剂替代铂碳催化剂，进而降低成本并且提高稳定性，现在对于非铂催化剂研究最多的就是新型的碳基纳米材料。许多非贵金属的碳材料例如氮，硫，磷等掺杂的碳被研究用于氢空燃料电池的氧还原催化剂，但是碳基多原子的非贵金属纳米材料用于酸性燃料电池的阴极氧还原催化剂还没有被报道过。如果这种多原子碳基非铂纳米材料能成功用于氢空燃料电池的阴极体系，而且具有比铂碳还优良的催化活性和稳定性，这将极大地推动燃料电池的商业化发展进程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种VIII族多原子分散的催化剂及其制备方法，本发明制得的催化剂在氢空燃料电池的阴极氧还原反应中表现出优越的催化性能和稳定性，且制备方法简单易行，热稳定性好，产率高，价格低廉。

为实现上述目的，本发明涉及如下几个方面：

1.一种用于氢空燃料电池阴极的催化剂，所述催化剂包含至少两种单分散的VIII族和作为有机配体的二甲基咪唑，其中，所述有机配体二甲基咪唑配位形成为非金属杂原子掺杂的碳载体，所述VIII族原子与非金属杂原子N原子相互作用，并包覆在所述碳载体的碳层里面并以多原子的形式存在。

2.根据1所述的催化剂，其中，其中，所述催化剂中包含的所述至少两种VIII族原子之和与非金属杂原子的原子比为在1∶30到1∶40的范围内，优选在1∶4到1∶3的范围之内，最优选在1∶2到1∶3的范围之内。

3.根据在前任一项所述的催化剂，其中，所述催化剂中包含两种或三种VIII族原子时，它们之间的摩尔比在1∶1到1∶10或1∶1∶1-1∶10∶10的范围内，优选在1∶2到1∶7或1∶1∶1-1∶8∶8的范围内，最优选在1∶4到1∶6或1∶1∶1-1∶6∶6的范围内。

4.根据在前任一项所述的催化剂，其中，所述催化剂中的VIII族原子为选自Fe、Co、Ni、Pt、Pd和Ru中的至少两种金属元素。