[发明专利]一种非贵金属单原子燃料电池阴极催化剂、其制备和应用

说明书

本发明属于电化学催化领域，更具体地，涉及一种非贵金属单原子、燃料电池阴极催化剂、其制备和应用。将第一共聚单体、第二共聚单体、引发剂以及过渡金属的金属盐混合，第一共聚单体和第二共聚单体在引发剂的作用下发生共聚反应，同时金属盐中的金属离子与共聚单体中的有机官能团发生络合反应，反应后得到第一溶液；将所述第一溶液与含氮前驱体混合后充分反应，反应后蒸干，得到催化剂前驱体；将催化剂前驱体磨碎后在惰性气氛中进行热处理，酸洗后得到所述非贵金属单原子燃料电池阴极催化剂。通过调控金属离子与配体之间的作用力，提高活性位点的分散性，解决现有技术M‑N‑C的制备方法存在的催化剂高温循环稳定性不佳的技术问题。

技术领域

本发明属于电化学催化领域，更具体地，涉及一种非贵金属单原子、燃料电池阴极催化剂、其制备和应用。

背景技术

随着经济的快速发展，我们对于能源的需求也不断增加。传统的化石能源排放带来的环境污染问题日益显著，在高速发展的今天，把握好能源与环境之间的平衡已经成为众多研究者关注的焦点。因此，人们在开发高效清洁能量转换和存储设备方面进行了大量的努力。PEMFC是一种高效清洁的直接将燃料的化学能转化为电能的新能源技术，具有能量密度高、启动快、环境友好和工作安静等优点，在电动汽车、航空航天等领域具有广阔的应用前景。然而，目前PEMFC的高额成本和稳定性问题仍是阻碍其大规模商业化应用的主要瓶颈。其关键问题在于PEMFC阴极氧还原反应(Oxygen reduction reaction,ORR)的速率远小于阳极氢气氧化反应，而目前只有贵金属铂(Pt)对ORR有可观的催化活性和燃料电池运行中的稳定性。因此，开发具有高ORR催化活性并且在燃料电池的酸性环境中具有高稳定性的廉价非贵金属催化剂(Non-precious metal catalyst，NPMC)，早日实现PEMFC在新能源汽车等领域的实际应用，是国内外燃料电池研究工作者们努力的目标。

近年来，人们开发了许多种类型的非贵金属燃料电池阴极催化剂，其中过渡金属-氮-碳(Metal-Nitrogen-Carbon，M-N-C，其中M包括Fe、Co、Mn等过渡金属)型催化剂是目前最有希望取代贵金属铂的非贵金属催化剂，在过去的研究中，M-N-C催化剂的催化活性取得了很大的提高。然而，催化剂的循环稳定性一直未能够得到解决，特别是燃料电池实际操作环境下的高温循环稳定性，这是由于目前制备的M-N-C型催化剂通常采用高温热解的方法，包括浸渍法和离子交换(置换)法，其中浸渍法由于金属离子与基底的作用力较弱，而离子交换(置换)法金属离子置换的程度较低，很多只是通过较弱的作用力在基底表面，这两者都极易使金属离子在高温烧结的过程中团聚成微/纳米颗粒，而团聚态的零价金属由于没有与氮配位，其外层3d轨道为未充满状态，因此极易被酸腐蚀氧化。因此，如何提高催化剂活性位点的分散性，以及在高温循环时维持本身的结构显得至关重要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种非贵金属燃料电池阴极氧还原催化剂、其制备方法和应用，其通过将过渡金属盐的金属离子与两种含有能与金属离子发生络合配位的官能团的共聚单体发生共聚反应，通过调控金属离子与配体之间的作用力，从而避免金属离子在高温热解时的团聚，提高活性位点的分散性，由此解决现有技术M-N-C的制备方法存在的催化剂高温循环稳定性不佳的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种非贵金属单原子燃料电池阴极催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将第一共聚单体、第二共聚单体、引发剂以及过渡金属的金属盐混合，所述第一共聚单体和第二共聚单体在引发剂的作用下发生共聚反应，同时所述金属盐中的金属离子与所述第一共聚单体和所述第二共聚单体中的有机官能团发生络合反应，反应后得到第一溶液；所述第一共聚单体和所述第二共聚单体均含有能与所述金属离子发生络合配位的有机官能团；所述第一共聚单体、第二共聚单体与所述金属离子通过络合配位反应形成共聚物；

(2)将所述第一溶液与含氮前驱体混合后充分反应，反应后蒸干，得到催化剂前驱体；