[发明专利]一种高催化活性燃料电池阴极催化剂

说明书

本发明提供一种高催化活性燃料电池阴极催化剂，它是一种在制备出的ZIF‑8型有机金属框架(MOF)中负载银纳米粒子的燃料电池阴极催化剂；其制备方法主要是利用六水合硝酸锌和2‑甲基咪唑合成出的ZIF‑8结构的多孔结构，上面负载具有高催化活性的银纳米颗粒，形成Ag‑ZIF复合结构，后经过800‑1000℃的高温碳化处理，合成高催化活性的燃料电池催化剂。本发明制备过程简单、安全无毒，制备成本低廉、无污染物排出、环境友好。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池阴极催化剂。

技术背景

燃料电池是一种将化学能转化为电能的新型发电技术。它由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)和电解质组成。燃料电池在反应时不发生燃烧这类化学反应，因此具有发电效率高、环境污染小、比能量高、噪音低、燃料范围广、可靠性高、易于建设等优点。然而，燃料电池催化剂的使用，大大地限制了燃料电池的发展。

Pt/C催化剂是目前应用最为广泛的商用燃料电池催化剂，它是铂纳米粒子高度分散于Vulcan XC-72上。然而Pt由于资源稀少，成本昂贵以及稳定性差等问题导致不能实现大规模的生产和商用。

金属银具有良好的导电性和化学稳定性，纳米银具有独特的性能，比如：体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，可以大大提高催化反应效率。且银系及其合金催化剂在碱性环境中仍然具有很好的氧还原活性，因而成为目前研究的热点。和铂催化剂相比，价格低廉，来源丰富。银被用在燃料电池催化剂中，拥有广阔的使用前景和应用价值。

金属有机框架化合物(MOFs)是一类有机无机杂化材料，是由有桥联的多齿有机配体与金属中心通过配位自组装而形成的具有周期性网络结构的多孔材料。MOFs由于其组成的特殊性，故而它的性质既不同于无机多孔材料，也不同于一般的有机配合物，兼具有机材料的柔性和无机材料的刚性。因而近年来受到科研界的广泛关注。WatcharopChaikittisilp[A new family of carbon materials:synthesis of MOF-derivednanoporous carbons and their promising applications.J.Mater.Chem.A,2013,1,14-19]等通过MOF作为前驱体合成一系列多孔碳材料用于燃料电池和空气电池中。

其中沸石咪唑骨架材料(ZIFs)，这类骨架材料具有沸石类的拓扑结构，同时具有很高的比表面积、孔体积孔径可调与高孔隙率的性质。与其他MOFs材料相比，这类材料具有更高的化学稳定性与热稳定性。Linjie Zhang[Highly graphitized nitrogen-dopedporous carbon nanopolyhedra derived from ZIF-8 nanocrystals as efficientelectrocatalysts for oxygen reduction reactions.Nanoscale,2014,6,6590-6602]使用ZIF-8作为前驱体合成高石墨化的氮掺杂多孔碳纳米多面体提高氧还原活性。但是由于ZIFs系列材料没有使用金属作为活性位点，其氧还原活性还远远达不到期望值。目前，国内外已经成功制备出碳材料载银纳米粒子，或ZIFs作为模板制成多空碳材料作为燃料电池催化剂。但在ZIF-8载银纳米颗粒符合材料方面还存在大量的研究空白。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、催化活性高、制备成本低廉、环境友好的高催化活性燃料电池阴极催化剂。

本发明的高催化活性燃料电池阴极催化剂是一种在制备出的ZIF-8型有机金属框架(MOF)中负载银纳米粒子的燃料电池阴极催化剂。

上述燃料电池阴极催化剂的制备方法如下：

(1)按每100ml甲醇加入1.4g 6水合硝酸锌和100mg～500mg硝酸银的比例，将6水合硝酸锌和硝酸银溶于甲醇中；