[发明专利]一种醇类燃料电池阳极催化剂、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种醇类燃料电池阳极催化剂、制备方法及其应用。该阳极催化剂以氮掺杂碳的碲化钴为复合载体，负载物为贵金属纳米颗粒，可以用于醇类氧化反应。本发明通过将贵金属纳米颗粒锚定在氮掺杂碳的碲化钴复合载体上，增强了载体与贵金属纳米颗粒间的相互作用，且亲氧过渡金属钴与贵金属之间的协同作用，可以改变贵金属对于醇类氧化过程中间态的吸附能力，有利于醇类氧化产生的中间体被吸附、转移至催化剂表面并被深度氧化为二氧化碳。本发明得到的醇类燃料电池阳极催化剂具有较高的催化活性、稳定性及抗一氧化碳中毒能力，在醇类燃料电池领域应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种氮掺杂碳的碲化钴复合载体负载贵金属纳米颗粒作为醇类燃料电池的高效阳极催化剂。

背景技术

能源问题是当今社会的热点问题之一，随着化石燃料的日益短缺，开发可再生能源，提高能源利用率，是我们迫切需要解决的问题。醇类燃料电池作为一个高效、清洁的能源转换装置，直接将化学能转化为电能，可实现资源有效利用，同时也便于能源的运输与存储，在电动汽车和便携式电子产品的动力源等方面具有广阔的应用前景。醇类燃料电池最关键的材料之一是阳极催化剂，它直接影响电池的性能、稳定性、使用寿命及生产成本。然而在阳极侧，由于醇类燃料氧化过程动力学非常缓慢，过程复杂，在电氧化过程中易受到反应中间产物一氧化碳的毒化。因此，开发低成本、高性能的醇类氧化催化剂成为亟需解决的问题。

目前，醇类燃料电池阳极催化剂已有很多研究，很多研究者从结构和形貌等方面对催化剂做出改进。例如，Fei Xie等人[International Journal of Hydrogen Energy2020，24807-24817]制备了铁掺杂磷化钴纳米管异质结构，增强了铂纳米颗粒对甲醇氧化反应的催化活性和抗一氧化碳中毒能力。中国专利CN105817240A，公开了一种甲醇氧化碳载铂掺杂磷化钴颗粒的催化剂，该催化剂具有较高的催化活性和稳定性。Zhan Wang等人[International Journal of Hydrogen Energy 2020, 15630-15641]制备了由MOF衍生的氮掺杂碳包覆磷化钴碳纳米管负载铂用于甲醇电催化氧化，提高了催化剂的催化活性和抗一氧化碳中毒能力。Jinfa Chang等人[J. Mater. Chem. A, 2016, 4,18607]制备了磷化钴为载体负载铂纳米颗粒的直接甲醇燃料电池阳极催化剂，磷化钴的存在促进了甲醇氧化为二氧化碳，提高了催化剂的抗一氧化碳中毒能力。然而，现有的醇类燃料阳极催化剂仍主要集中于铂基贵金属上，对磷化钴作为载体负载贵金属纳米颗粒的研究比较多，但以碲化钴为载体的研究较少。贵金属价格昂贵，资源有限，催化剂制备成本高，且贵金属纳米颗粒在磷化钴载体上分散性不佳，容易发生团聚，降低了催化剂的稳定性、催化活性和抗一氧化碳中毒能力，在醇类燃料电池中的利用率远远达不到商业化的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本，高催化活性，稳定性和抗反应中间体毒化能力的醇类燃料电池的阳极催化剂。

为了实现上述目的，本发明采用技术方案如下：

一种醇类燃料电池的阳极催化剂，该阳极催化剂以氮掺杂碳的碲化钴为复合载体，负载物为贵金属纳米颗粒。

进一步的，所述的贵金属纳米颗粒的负载量为20~60wt%。

进一步的，所述贵金属纳米颗粒为纯铂或Pt基、PtRu基、PtPd基合金纳米颗粒，Pt基合金为PtTM，PtRu基合金为PtRuTM，PtPd基合金为PtPdTM，其中TM为过渡金属。

具体的，所述的过渡金属包括铁，钴，镍，锡，铜，钌，钯，铑等中的任意一种或几种。

本发明提供了一种醇类燃料电池的阳极催化剂的制备方法，包括以下步骤：

a. 将ZIF-67和碲粉按质量配比均匀混合，放入管式炉中，加热至设定的温度，在氮气下热处理，得到氮掺杂碳的碲化钴；