[发明专利]直接甲醇燃料电池阳极用钴基复合物催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种直接甲醇燃料电池阳极用钴基复合物催化剂及其制备方法，是采用弱碱处理聚乙烯醇‑聚苯胺导电水凝胶作为载体，以其浸渍可溶性钴盐，惰性气氛下煅烧后得到的、由含氮的碳材料包裹的、单质钴含量2～6wt%的单质钴纳米晶复合材料。本发明采用全新的催化剂载体负载过渡金属钴代替传统贵金属，通过掺杂杂原子调控催化剂电子结构，提高了催化剂的催化活性和电极导电性，具有优良的电化学反应活性。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池阳极催化剂，特别是涉及一种碱性体系下的直接甲醇燃料电池非贵金属基碳材料阳极催化剂及其制备方法。本发明制备的催化剂可用于甲醇的电化学催化氧化。

背景技术

直接甲醇燃料电池(DMFC)由于其结构简单、易于携带、燃料可携带性好、比能密度大、污染物排放少等优点，而备受研究者的关注。近年来，DMFC已成为便携式和小型电子设备的重要替代电源之一。而聚合物电解质燃料电池(PEFC)具有高的能量密度和燃料效率，因此又被认为是最有希望的电源之一。

目前，Pt、Pd、Ru等贵金属已经被广泛应用于DMFC的阳极催化剂。但由于其成本过高、抗中毒性能差等缺点，不能广泛应用于工业生产中。因此，开发廉价、稳定性优异、抗CO中毒性能好的非贵金属催化剂，就成为提高DMFC性能的关键。

在非贵金属元素中，钴是一种廉价易得的多价态金属，已经被广泛应用于甲醇氧化反应、析氧反应等各种反应中。例如，N(4%)-Co/CNFs[Cobalt-incorporated, nitrogen-doped carbon nanofibers as effective non-precious catalyst for methanolelectrooxidation in alkaline medium, Appl. Catal., A, 498(2015), 230-240.]、Co-MOF-71[Novel Co-MOF/Graphene Oxide Electrocatalyst for Methanol Oxidation,Electrochim. Acta, 255(2017), 195-204.]、Co₃(PO₄)₂[Microwave-Assisted Synthesisof Co₃(PO₄)₂ Nanospheres for Electrocatalytic Oxidation of Methanol inAlkaline Media, Catal., 7(2017).]等钴基催化剂被证明是有效的甲醇阳极催化反应用电极催化剂。

通常，为了制备高效的催化剂，一般采用石墨烯、碳纳米管、g-C₃N₄、MOFs等碳材料作为催化剂的导电骨架，钴活性组分作为催化甲醇反应的活性位点。但是，传统的钴基催化剂制备方式复杂，原料昂贵，且活性组分钴的分散不均，影响了其甲醇氧化的电化学性能，也限制了其的广泛应用。

例如，N(4%)-Co/CNFs催化剂电极的前驱体选择聚乙烯醇(PVA)为模板，在1.46V(vs RHE)电压下的甲醇氧化电流密度仅有101mA∙cm⁻²；Co-MOF-71催化剂电极以MOFs结构为导电骨架，在1.65V(vs RHE)电压下的甲醇氧化电流密度仅有29mA∙cm⁻²；而Co₃(PO₄)₂催化剂电极在1.65V(vs RHE)电压下的甲醇氧化电流密度也仅有556mA∙mg⁻²。因此，需要找到一种制备简单、抗CO中毒能力强，对甲醇氧化催化性能良好的催化剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种直接甲醇燃料电池阳极用钴基复合物催化剂，以及所述催化剂的制备方法，通过掺杂杂原子调控催化剂的电子结构，提高催化剂的催化活性和电极的导电性。