[发明专利]一种燃料电池的分散型钴基催化剂及制备方法

说明书

本发明提出一种燃料电池的分散型钴基催化剂及制备方法，所述钴基催化剂先通过硝酸锌制备纳米氧化锌，通过浸渍负载于多孔片状有机聚合物表面和层间，然后浸渍于水溶液中，在碱性条件下加入硝酸钴，取出后在氮气和氢气混合气体保护下进行真空高温热处理而制得。本发明提供的钴基催化剂，纳米氧化锌通过浸渍均匀分布在聚合物中，经碳化和还原处理使金属钴通过氧化锌均匀负载于碳球表面，从而有效提高金属钴的分散性，改善了催化剂的催化活性，催化性能优异，使用寿命长，可广泛用于燃料电池。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池的分散型钴基催化剂及制备方法。

背景技术

燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、无污染的特点，非常适合作为绿色新能源汽车的动力能源。燃料电池电汽车可以解决汽车工业发展带来的环境与能源问题，为汽车工业未来发展带来新的契机。其膜电极是核心组件，由质子交换膜、催化剂、气体扩散层复合而成。其中，催化剂的性能直接影响燃料电池的稳定性、使用性和制备成本,，是研制燃料电池的关键材料之一。

迄今为止，燃料电池催化剂仍以铂为主。由于铂的价格昂贵，资源匮乏，造成燃料电池成本很高，大大限制了其广泛的应用。近年来，许多研究着眼于提高Pt基阴极氧还原催化剂的稳定性、利用率、改进电极结构以减少铂负载量，降低燃料电池成本。但根本的出路应当是开发可以完全替代铂的、低成本的、资源丰富的非铂催化剂，如金属钴，近年来在燃料电池催化剂领域的研究和应用中受到重视。

目前，非贵金属催化剂的催化性能则难以满足质子交换膜燃料电池的需求，而提高催化剂活性的手段主要是提高催化活性位点的密度和表面暴露更多的活性位点，但容易引起质子交换膜和催化剂使用寿命的下降，而且会导致制备工艺趋于复杂。因此，开发一种合成工艺简单有效的高分散型催化剂和催化剂与膜电极的复合具有十分重要的实际意义。

中国发明专利申请号201610055510.8公开了一种燃料电池用核壳型金/钴/硼催化剂，该催化剂为具有核壳结构的金钴硼合金，其中非晶态钴-硼为壳，晶态金为核；该发明的核壳型催化剂为非晶态材料包裹晶态材料，区别于以往的“晶包晶”结构，该结构兼具非晶态材料和晶态材料的共同特性，催化性能优越，能有效提高燃料电池的放电性能，大幅度降低了贵金属的用量，使燃料电池成本显著降低，这将有利于促进燃料电池的发展，采用一步还原法制备。中国发明专利申请号201711074620.X公开了一种单原子钴/石墨烯质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法，该催化剂采用海藻酸钠、三聚氰胺、醋酸钴、醋酸锌和石墨烯为原料，成功的制备出质子交换膜燃料电池用的单原子钴负载石墨烯阴极催化剂；该催化剂表现出优异的催化性能，其在起波电势、半波电势，极限电流密度方面均与现今商业用的Pt/C催化剂要好，并且表现出了非常优异的稳定性。

为了改善非贵金属催化剂表面催化活性位点低少，分散不均匀，催化性能低的缺陷，以及避免现有技术中提高催化活性的过程复杂而效果不佳的问题，有必要提出一种新型分散型非贵金属催化剂，进而提高催化剂表面活性位点的分散性，提升催化性能。

发明内容

针对目前燃料电池铂基贵金属催化剂用量大而成本高的问题，以及非贵金属催化剂的催化活性位点少且分布不均，现有的解决方法存在工艺复杂，易降低催化剂使用寿命等缺陷，本发明提出一种燃料电池用陶瓷气体扩散层及制备方法，从而提高了金属钴在碳球表面的分散性，提升了催化性能。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种燃料电池的分散型钴基催化剂，所述钴基催化剂先通过硝酸锌制备纳米氧化锌，通过浸渍负载于多孔片状有机聚合物表面和层间，浸渍于水溶液中，在碱性条件下加入硝酸钴，取出后在还原气氛下进行真空高温热处理而制得。

优选的，所述多孔片状有机聚合物为多孔聚苯乙烯、多孔聚砜、多孔聚芳酯、多孔聚氨酯、多孔聚酰亚胺中的一种或两种以上的组合。

优选的，所述氮气和氢气混合气体中，氮气、氢气的体积比为1：3-4。