[发明专利]一种用于氧还原反应的钙钛矿型催化剂、制备方法及应用

说明书

本发明公开一种用于氧还原反应的钙钛矿型催化剂、制备方法及应用；该催化剂具有大比表面积、高孔隙率、高电催化活性的特点，为现在技术中ORR反应动力学缓慢且需要大过电位提供了解决方案；本发明通过对钙钛矿氧化物ABO₃的A位元素进行部分取代以解决钙钛矿本身活性有限、在氧气还原电势范围内不稳定的缺陷，取代后通式为A_0.7A’_0.3BO₃，其中A为镧，A’为锶，B为锰；制备方法如下：借鉴Stober方法合成纳米尺度的SiO₂模板，并将其用于纳米多孔钙钛矿La_0.7Sr_0.3MnO₃的制备；本发明制备钙钛矿型材料不仅方法简单，环境友好，同时可作为贵金属催化剂的替代物，大大降低生产成本，为燃料电池商业化提供了一种非常可行的解决方案。

技术领域

本发明涉及燃料电池催化技术领域，具体涉及一种用于氧还原反应(ORR)的钙钛矿型催化剂、制备方法及应用。

背景技术

现代社会经济的发展目前正处于以化石燃料为基础向可以减少环境污染的清洁能源的过渡阶段。与此同时，寻求安全、可靠和有效的能够大规模应用的储能技术至关重要。燃料电池是一种通过化学反应将化学能转化为电能的装置。使用化石燃料如石油、瓦斯等燃烧来发电，其能源利用效率只有约30％，而燃料电池则不受卡诺循环的限制，直接通过催化剂催化燃料与氧气发生反应将化学能转化为电能，能源效率高达70％，并且产物多为水对环境损害极低。

虽然燃料电池在一些方面有着较大的优越性，但在寿命、稳定性等方面还存在着诸多问题，相对较高的成本一直是燃料电池推广的瓶颈之一，目前燃料电池主要还是在一些特殊领域才具有较高的竞争力。在燃料电池中，氧气在阴极发生还原反应。在此过程中由于阴极缓慢的动力学，传质障碍以及内在欧姆电阻的存在，其输出电压远低于理论值。燃料电池阴极中的电催化剂在决定电极性能和能量密度最大化方面起着重要作用。因此，寻找合适的电催化剂是提高ORR效率、降低过电位的关键问题之一。

为了加速阴极氧气还原反应，能够减少该因素造成的电压损失，在实际应用中，通常会使用大量Pt作为阴极电化学催化剂。贵金属催化剂的使用造成了燃料电池成本的大幅度上升；此外，在燃料电池的工作环境下，催化剂表面中毒以及碳颗粒的溶解等众多因素都会减少燃料电池的效率和寿命。因此，减少Pt等贵金属的使用量甚至设计新型非Pt基催化剂，降低燃料电池的成本以及提高寿命和稳定性成为了热点研究问题。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种用于氧还原反应(ORR)的钙钛矿型催化剂、制备方法及应用，本发明采用廉价的金属制备高活性的复合金属氧化物催化剂，降低燃料电池的成本，并解决燃料电池阴极氧还原反应动力学缓慢的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于氧还原反应的钙钛矿型催化剂，通过对钙钛矿材料A位元素进行部分取代改善钙钛矿材料活性，取代后形成的用于氧还原反应的钙钛矿型催化剂的分子式为A_0.7A’_0.3BO₃，其中A为镧La，A’为锶Sr，B为锰Mn；该钙钛矿型催化剂La_0.7Sr_0.3MnO₃比表面积为61.5486m²/g，孔体积为0.267392cm³/g；当该钙钛矿型催化剂与导电炭黑质量比为1:1时，催化剂具有最强的还原峰，表现出优异的氧还原活性。

所述的用于氧还原反应的钙钛矿型催化剂的制备方法，包括如下步骤：

1)采用Stober法合成单分散纳米尺度的SiO₂模板；