[发明专利]一种用于制备燃料电池用氢的多孔碳基催化剂及制备方法

说明书

本发明提供了一种用于制备燃料电池用氢的多孔碳基催化剂及制备方法。将氧化石墨复合形成稳定的金属‑有机骨架，超声振荡后转移至反应釜中，加热反应，得到氧化石墨烯‑多孔碳前驱体沉淀物，接着在氮气保护下高温处理，使金属‑有机骨架分解为多孔碳结构，洗涤干燥，即得多孔碳基材料插层的氧化石墨烯催化剂。该方法通过铝离子与DAB复合形成稳定的金属‑有机骨架，进而高温热处理得到多孔碳结构，并在多孔碳材料插层氧化石墨烯，有效提高了氧化石墨烯的分散性，制得的多孔碳基催化剂的催化活性高，稳定性好，用于电解水制氢时产氢效率高。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及催化剂的制备，特别是涉及一种用于制备燃料电池用氢的多孔碳基催化剂及制备方法。

背景技术

随着国民经济的迅速增长，对能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所产生的环境污染问题日益尖锐。新能源资源潜力大，可持续利用，在满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、促进经济发展等方面发挥了重要作用，已引起了国际社会的广泛关注。氢作为一种清洁燃料，具有燃烧热值高、燃烧产物是水，不会对环境排放温室气体，因此是一种较理想的二次能源，氢能源的使用也会增加市场对氢气的需求。因此，制氢技术的发展和应用成为能源领域的发展重点。

电解水制氢是已经成熟的一种传统制氢方法。其生产成本较高，所以目前利用电解水制氢的产量仅占总产量的1~4%。电解水制氢具有产品纯度高和操作简便的特点，其生产历史已有80余年。电解水制氢由于其优良的理论性能和氢产物的高纯度，受到研究人员的广泛关注和研究。但电解水制氢由于成本较高，催化剂使用贵金属的缺点，严重限制了其在工业生产中的应用。近年来迅速发展起来的廉价碳催化剂因结构、属性可调且可实现较高的ORR性能而备受人们的青睐，碳催化剂的电化学性能受其比表面积及石墨化程度影响较大。

中国发明专利申请号201510607936.5公开了一种用于电解水制氢的新型三维阳极材料，包括采用液固合成法原位制备泡沫镍负载的氮掺杂碳/过渡金属氧化物，用于电解水制氢的三维阳极极片，具体方法是：（1）将洁净的泡沫镍浸入含有过渡金属盐、碳源、氮源的水和乙醇混合溶液，取出晾干，重复三次；（2）将步骤（1）中得到的泡沫镍片在惰性气体保护下，600~800℃煅烧1~6h，然后在200~250℃时，O₂气氛下加热1~1.5h，即得到泡沫镍负载的氮掺杂碳/过渡金属氧化物三维电极。

中国发明专利申请号201410448455.X公开了一种电解水制备氢气催化剂材料的制备方法，将石墨碳纳米结构-石墨烯复合碳纸浸泡在钼和硫的前驱物溶液中，通过水热或溶剂热反应后，再经过反复洗涤得到硫化钼与石墨碳纳米结构-石墨烯复合碳纸材料，即为产品。

中国发明专利申请号201611167015.2公开了一种电解水制氢的催化剂，催化剂是碳担载纳米铜铂合金。该发明的催化剂具有更多的活性位点，提高电化学催化效率；同时铜的加入减少了铂的载量，进一步降低了成本；由于金属间的协同作用，铂铜合金可以有效的降低电化学反应的过电位，降低了电解池电压，减少了能耗成本。

中国发明专利申请号201510099138.6公开了一种用于制氢的镍-碳基催化剂材料的制备方法，其包括以下制备步骤：用NiCO₃·2Ni(OH)₂·xH₂O与L-天门冬氨酸溶于水中，于温度40~120℃下进行Ni(L-asp)(H₂O)₂·H₂O的合成；将所述Ni(L-asp)(H₂O)₂·H₂O和4, 4’-联吡啶置于甲醇和水的混合溶液中进行水热合成反应，制得镍基金属有机骨架：Ni-MOF晶体；及将所述Ni-MOF的碳化：将所述Ni-MOF置于惰性气体气氛中，进行热解碳化处理，制得镍-碳基催化剂材料。

根据上述，现有方案中用于电解水制氢的碳催化剂的比表面积小，石墨化程度低，在用于电解水制氢时，易受腐蚀，进而影响催化剂的活性和反应的稳定性，制氢效率低。