[发明专利]一种嵌入式的合金催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种嵌入式的合金催化剂及其制备方法和用途，所述合金催化剂包括碳基底材料、位于所述碳基底材料表面的氮掺杂型碳材料及贵金属纳米粒子，所述贵金属纳米粒子嵌入所述氮掺杂型碳材料中；合金催化剂中氮掺杂型碳材料与贵金属纳米粒子间的协同作用，提高了合金催化剂的电子传导能力和氧还原活性；若贵金属为Pt，合金催化剂的质量活性可达传统铂碳的2倍以上，且其具有优异的稳定性，经30000圈加速循环后，活性衰减在31％以下；将其制备成5×10cm²膜电极，组装单电池测试，在电池温度75℃，加湿温度为70℃，60％RH、化学计量比氢气/空气＝1.2/2.2的条件下，电流密度可达2800mA/cm²@0.6V。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，涉及一种嵌入式的合金催化剂及其制备方法和用途。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFCs)具有能量转换效率高、低温快速启动、低噪音、无污染等特点，被认为十分适合作为绿色新能源汽车的动力能源。质子交换膜燃料电池由催化剂、质子交换膜、气体扩散层及双极板组成。其工作原理是氢气在阳极分离出质子和电子，质子经过质子交换膜到阴极，而电子则通过外电路到达阴极，当电子到达阴极时，与质子以及通入的O₂在阴极催化剂的作用下结合而生成水，具体电极反应为：

阳极:H₂→2H⁺+2e^-；

阴极:1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O；

总反应式为:H₂+1/2O₂→H₂O；

由于质子交换膜燃料电池使用的燃料为氢气和空气，产物为水，因此，燃料电池技术被认为是新能源发展的终极目标。燃料电池工作的环境温度为40-95℃，因此，需要采用高活性的贵金属Pt作为催化剂活性组分。但由于Pt金属存储量少、价格昂贵、易毒化等特点，因此，开发高活性、高耐久的低铂催化剂是目前的研究重点。

目前，质子交换膜燃料电池常用的Pt/C催化剂中，阳极一侧Pt载量一般需要0.05-0.1mg/cm²就可以满足燃料电池的需要，而阴极一侧Pt载量则需要0.15-0.30mg/cm²；Pt/C催化剂在燃料电池电堆中所占的成本比例为35％-50％。

因此，提升催化材料性能、降低阴极氧还原催化剂用铂量对于降低PEMFCs的成本及推广使用具有至关重要的意义。与此同时，作为具有实际推广意义的阴极催化剂材料，电催化过程中催化剂的稳定性也是不容忽视的关键考量因素之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种嵌入式的合金催化剂及其制备方法和用途，所述合金催化剂包括碳基底材料、位于碳基底材料表面的氮掺杂型碳材料及贵金属纳米粒子，所述贵金属纳米粒子嵌入所述氮掺杂型碳材料中；本发明所述合金催化剂中氮掺杂型碳材料与贵金属纳米粒子间的协同作用，显著提高了所述合金催化剂的电子传导能力和氧还原活性；所述贵金属为Pt时，所述合金催化剂的质量活性可达传统铂碳的2倍以上，且其具有优异的稳定性，经过30000圈加速循环后，活性衰减在31％以下，特别适用于车用环境；将其制备成5×10cm²膜电极，组装单电池进行测试，其在电池温度75℃，加湿温度为70℃，相对湿度为60％RH、化学计量比氢气/空气＝1.2/2.2的条件下，电流密度可达2800mA/cm²@0.6V。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种嵌入式的合金催化剂，所述合金催化剂包含碳基底材料、位于所述碳基底材料表面的氮掺杂型碳材料和贵金属纳米粒子；所述贵金属纳米粒子嵌入所述氮掺杂型碳材料中。