[发明专利]一种直接甲酸燃料电池阳极用生物质基催化剂及其制备方法

说明书

本发明给出了一种直接甲酸燃料电池阳极用生物质基催化剂及其制备方法。所述生物质基催化剂，以花生壳、竹子和秸秆等生物质材料来源的碳作为载体，在其上负载纳米级钯基催化剂。这种生物质基催化剂的碳载体来源于生物质材料：（1）可提供丰富的氮（N）、磷（P）等非金属元素，提高碳载体的导电性以及对钯基催化剂的作用；（2）具有多级孔结构，具有很好的传质效果；（3）具有来源广泛、价格低廉等特点，可应用于直接甲酸燃料电池，为提高阳极催化剂性能提供新的途径。

技术领域

本发明涉及直接甲酸燃料电池阳极催化剂的制备，具体涉及一种以生物质碳为载体用于直接甲酸燃料电池的阳极催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种直接将储存在燃料中的化学能转化为电能的高效发电装置，其使用燃料于氧气作为燃料，无噪声污染，污染性气体排放很少，是一个很有前途的能源利用方式。直接甲酸燃料电池作为质子交换膜燃料电池中的一种，使用液态的甲酸作为燃料，具有燃料低毒、便于运输、质子交换膜渗透性较小、操作温度低和燃料氧化速率高等优点，具有潜在的应用前景。目前，制约直接甲酸燃料电池商业化应用的主要问题在于其阳极催化剂钯的稳定性较差，而影响催化剂稳定性的主要原因之一是纳米级的金属钯在使用过程中会出现聚集，造成钯的活性变差。解决这一问题的方法之一是将纳米级的金属钯负载在多孔碳载体材料上，并在多孔碳载体材料中掺杂氮和磷，以改善碳载体的电子传递性能；将多孔碳材料制备成同时含有微孔、介孔和大孔的多级孔碳材料，以保证纳米钯金属的均匀分散负载。为了更好地掺杂氮和磷，一般选择含氮和磷的有机材料为多孔碳载体的前驱体，这就使得制备过程过于繁琐，生产成本高居不下。对于一般的有机前驱体材料，制备同时含有多级孔碳的孔径分布也不易控制。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种以生物质碳为载体用于直接甲酸燃料电池阳极的生物质基催化剂及其制备方法，为具有高活性和稳定性的直接甲酸燃料电池阳极钯基催化剂提供了一种新的解决方案。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实施：

本发明的一个方面，是提供一种直接甲酸燃料电池阳极用生物质基催化剂，其特征在于，该催化剂的活性组分为纳米级钯基催化剂，载体为生物质基含有杂原子的多级孔碳；

所述的生物质为花生壳、竹子、麦秸秆、玉米秸秆中的一种或两种及以上的混合物；

所述的钯基催化剂为金属钯或钯基多金属催化剂。

作为对本发明中一种直接甲酸燃料电池阳极用生物质基催化剂的限定：所述的生物质基含有杂原子的多级孔碳，孔径小于2 nm的微孔占总孔的体积百分比为5~30%，孔径在2~50 nm的介孔占总孔的体积百分比为30~75%，大于50nm的大孔占总孔的体积百分比为20~40%。

作为对本发明中一种直接甲酸燃料电池阳极用生物质基催化剂的另一种限定：所述的生物质基含有杂原子的多级孔碳中氮（N）元素的质量百分比为0.3~2.0%，磷（P）元素的质量百分比为0.01~1.50%。

作为对本发明中一种直接甲酸燃料电池阳极用生物质基催化剂的最后一种限定：所述的纳米级钯基催化剂的粒径在2~20 nm范围内。

本发明的另一个方面，是提供一种直接甲酸燃料电池阳极用生物质基催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）生物质碳化

将洗净干燥后的生物质材料置于管式炉内，在氮气环境中，以5~10 ℃/min的速度升温至600~1000 ℃，并保持0.5~3 h进行高温碳化，冷却后研磨筛分得到生物质碳粉体A；

（2）生物质碳表面氧化处理