[发明专利]一种包覆型催化剂、其制备方法和在燃料电池中的应用

说明书

本发明涉及一种包覆型催化剂、其制备方法和在燃料电池中的应用。所述包覆型催化剂中的里层为过渡金属氧化物纳米颗粒，所述外层为硫元素和氮元素掺杂的碳包覆层。本发明所述包覆型催化剂中掺杂包覆的硫、氮、碳在增加催化活性位点的同时有具有固定催化剂活性位点的作用，并与过渡金属氧化物纳米颗粒协同促进氧还原催化反应，使其具有较好的催化效果，同时经高温后过渡金属氧化物纳米颗粒表面易形成致密的氧化膜，除此之外表面还具有包覆层，使其具有较好的耐腐蚀性。本发明所述包覆型结构催化剂具有较好的催化效果，耐蚀性较高，性能优于商业的催化剂；且制备过程安全环保、流程简单，所用原料成本较低，在燃料电池催化剂领域有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种包覆型催化剂、其制备方法和在燃料电池中的应用。

背景技术

氢能作为一种清洁高效的能源，是公认的解决目前环境污染和能源紧张的有效手段。质子交换膜燃料电池能够高效将氢气中的化学能转化成电能，是利用氢能的最佳设备之一。而催化剂作为质子交换膜燃料电池的关键材料是制约其性能和成本的关键因素。铂基材料是目前燃料电池中最常用的阴极氧化还原反应催化剂。但铂资源有限，价格昂贵，因此开发非贵金属催化剂，从而降低成本对质子交换膜燃料电池商用化推广有重要意义。

CN103295756B公开了一种磁性氮掺杂碳材料的制备方法，将无水乙醇和去离子水的混合溶剂用浓盐酸调pH至1-3后，在搅拌下依次将氧化碳化剂(六水合三氯化铁)、碳源(糖类)、氮源(甘氨酸或三聚氰胺)充分溶解或分散于混合溶剂中搅拌混合均匀，然后蒸去溶剂，于60℃～80℃下碳化40～50h，碳化产物经研磨后再于180～200℃下碳化4～6h。但是所材料催化性能较差且合成时间过长。

CN106898786B公开了氧还原催化剂及其制备和应用，非铂催化剂具有三层结构的核壳结构，其核为Fe，Co，Ni金属纳米粒子或者它们的合金；中间层为碳包覆层；外层为剥离的石墨烯纳米片层。但是所述方法合成过程中用到高锰酸钾和氨气等物质较为危险、不环保。

CN101912778B公开了一种燃料电池催化剂的制备方法，即在醇环境下以甲醇、甲醛、硼氢化钠、水合肼等为还原剂，制备获得Pt–M/C催化剂。但是甲醇、甲醛对人体有明显的毒害作用，长期接触易致癌；硼氢化钠、水合肼等还原剂较强，易爆不易保存，而且用到了贵金属铂，造成较高的生产成本。

因此，本领域需要开发一种新型燃料电池催化剂，其制备过程简单，安全环保、所用原料成本低，且应用于燃料电池领域具有优异的电催化效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种包覆型催化剂、其制备方法和在燃料电池中的应用。所述催化剂具有较好的催化效果，耐蚀性较高，性能优于商业的催化剂；且制备过程安全环保、流程简单，所用原料成本较低，在燃料电池催化剂领域有广泛的应用前景。

本发明的目的之一在于提供一种包覆型催化剂，所述包覆型催化剂中的里层为过渡金属氧化物纳米颗粒，所述外层为硫元素和氮元素掺杂的碳包覆层。

本发明所述包覆型催化剂中掺杂包覆的硫、氮、碳在增加催化活性位点的同时有具有固定催化剂活性位点的作用，改变碳的电子结构，并与过渡金属氧化物纳米颗粒协同促进氧还原催化反应，使其具有较好的催化效果，同时过渡金属氧化物纳米颗粒经过高温煅烧后表面易生成致密的氧化膜，除此之外表面还具有包覆层使其具有较好的耐腐蚀性。

本发明所述包覆型催化剂ORR的催化反应的半波电位为0.80～0.82V，高于市售20％的铂碳催化剂半波电位(一般为0.79V)，经3000次循环后，商业Pt/C的电化学活性面积只剩初始状态的49％，而本发明制备的催化剂电化学活性面积还保留初始状态的56％～62％。本发明催化剂的催化活性和耐久性能优于商业催化剂。

本发明所述包覆型催化剂中，里层为被包覆层(即核层)，外层为包覆层(即壳层)。