[发明专利]一种燃料电池膜电极催化剂、其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种燃料电池膜电极催化剂、其制备方法和应用，该方法包括：S1、将过渡金属阳离子源化合物溶于第一溶剂，得到第一溶液；将有机含氮配体溶于第二溶剂，得到第二溶液；将多孔导电碳材料分散于第三溶剂，得到悬浊液；S2、将所述第一溶液与第二溶液混合后，再与所述悬浊液混合进行吸附，经分离，得到固相物质；S3、将所述固相物质通过退火处理进行反应，得到燃料电池膜电极催化剂，其包括多孔导电碳载体，以及负载于所述载体内部孔隙中的过渡金属和氮。本发明方法制得的催化剂活性高，具有非常优异的气固液三相界面。本发明方法简单，成本低廉，特别适用于高功率金属空气电池及燃料电池的正极，具有良好的商业化前景。

技术领域

本发明涉及燃料电池催化剂技术领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极催化剂、其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池是将化学能直接转化为电能的新型绿色能源转换器件，其具有高比功率、高能量转化效率、无污染等诸多优点，被认为是可以解决环境污染和能源危机的关键方案，在交通运输车辆、无人机、便携式移动电源、应急备用电源等方面都具有广泛应用前景。燃料电池是由正负两个电极以及电解质组成；其核心反应是正极膜电极上的氧化还原反应，一般需要具有性能优异的高效膜电极催化剂。可以认为，燃料电池性能的优劣在相当程度上是由膜电极催化剂的性能高低来决定的。

合理的气固液三相界面和高效的本征催化活性，是该类催化剂的必然要求。传统的膜电极催化剂有三种改进的制备方法：对于Pt、Ag等稀有金属催化活性成分来说，一般使用高导电碳与稀有金属进行复合，即使用常规的导电炭黑和活性炭等，通过稀有金属直接原位还原，或者沉积在导电碳表面来制备高效的稀有金属催化剂。对于MnO₂、Co₃O₄等传统商用催化剂来说，目前是直接将这类活性反应物质与导电碳进行固相球磨，或者均匀混合后使用。对于非贵金属催化剂，比如第四周期过渡金属来说，通常是将金属与有机物配体进行煅烧热解，得到活性物质与原位热解碳复合的结构。

上述膜电极催化剂材料的设计与合成原则主要在于，尽量提高催化剂的本身活性位点的密度和暴露程度，这种设计原则有利于催化剂在旋转圆盘电极等测试时获得好的性能。但是，当将其装配到燃料电池中并进行大电流长时间放电测试时，它们的劣势则充分暴露出来：首先，传统的催化剂在电子传输通道上缺失有效调控，需要增加很多导电剂来形成足够的电子通路，这些导电剂降低了催化剂的反应区域。其次，传统催化剂没有气体输运通道和离子输运通道的合理设计，构建气体输运通道主要通过添加聚四氟乙烯等疏水高分子来形成网络结构，这种方法一方面会显著降低导电性，同时还会导致催化剂反应面积的降低，在进行大电流长时间放电时容易产生水淹，严重影响电池寿命。

总体来看，现有膜电极催化剂影响燃料电池性能的主要问题在于，催化剂三相界面通道缺少合理的设计。因此，研发一种具有高活性，同时具有丰富三相界面的燃料电池膜电极催化剂是一件具有重要意义的事情。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种燃料电池膜电极催化剂、其制备方法和应用，本申请制备的膜电极催化剂具有丰富的气固液三相反应界面，活性高，能够为燃料电池输出最大的功率密度和长时间稳定的运行时间提供有力的保证。

本发明提供一种燃料电池膜电极催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、将过渡金属阳离子源化合物溶于第一溶剂，得到第一溶液；

将有机含氮配体溶于第二溶剂，得到第二溶液；

将多孔导电碳材料分散于第三溶剂，得到悬浊液；

S2、将所述第一溶液与第二溶液混合后，再与所述悬浊液混合进行吸附，经分离，得到固相物质；

S3、将所述固相物质通过退火处理进行反应，得到燃料电池膜电极催化剂；所述燃料电池膜电极催化剂包括多孔导电碳载体，以及负载于所述载体内部孔隙中的过渡金属和氮；