[发明专利]一种具有海胆状形貌的整体式过渡金属磷化物电催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种具有海胆状形貌的整体式过渡金属磷化物电催化剂及其制备方法与应用。所述催化剂由过渡金属磷化物和载体材料组成，过渡金属磷化物负载于载体材料表面。将载体材料加入到含有过渡金属前驱体盐与沉淀剂的水溶液中，经80～180℃水热反应后，在氢气与惰性气体组成的混合气氛及150～600℃温度下进行还原热处理后，以次亚磷酸钠为前驱体在250～500℃温度下进行磷化热处理，得到具有海胆状形貌的整体式过渡金属磷化物电催化剂。本发明的制备方法原料成本低廉、制备方便、易于量产。制得的催化剂兼具高本征催化活性、丰富的活性位点和良好的导电性，可在碱性条件下高效且稳定地催化水合肼的电化学氧化反应。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种具有海胆状形貌的整体式过渡金属磷化物电催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

伴随着社会经济的快速发展，能源需求量不断增加，同时源于化石能源大量使用所带来的环境污染等问题的日益严重，开发清洁能源利用技术业已成为人类社会可持续发展的关键基础。

燃料电池是一种典型的能源转换装置，能将燃料自身所具有的化学能直接转换成电能，具有能量转换效率高、环境友好、可靠性高、适用范围广等技术优势而备受关注，被认为是21世纪极具研究价值与应用前景的首选新能源技术。研发高效安全的燃料电池技术对于解决能源与环境等全球性问题，实现可持续发展具有重大意义。源于燃料类型的不同，燃料电池具有较宽的工作温度范围和多样的性能规格，能够被搭建成具有不同结构及不同形式的发电装置，大至用作分布式电站用于外电网并网发电，小至运用在便携式电源、家庭供电取暖以及电动交通工具等方面。

在寻找用于车辆或便携式应用的可行燃料电池时，直接肼燃料电池因其诸多优异特质而广受关注。其一在于用于直接肼燃料电池的燃料一水合肼(N₂H₄·H₂O)具有高能量密度(5.42Wh·g^–1)，较低成本以及不含碳元素的特征，这使得直接肼燃料电池具备理论电势高(1.56V)，工作温度低、产物环境友好等优势。其二在于燃料一水合肼(N₂H₄·H₂O)在催化剂表面/界面发生电化学反应时，不会生成毒化中间产物，故而能本质上避免催化剂中毒问题的发生，这有利于提高催化剂催化寿命，进而延长电池使用寿命。其三在于，直接肼燃料电池工作环境温和，可在近室温条件下稳定工作(40～80℃)。其四，最为关键在于，相比于其他大多数直接液体燃料电池(DLFC)，直接肼燃料电池无需使用贵金属作为阳极电催化剂的材料。在直接肼燃料电池体系中，采用非贵过渡金属基催化剂甚至能够具备较贵金属基催化剂更为优异的电催化性能，将极大降低材料成本，这对直接肼燃料电池的大规模商业化应用极为有利。

直接肼燃料电池历经数十年研究，目前已取得了积极进展，现已有大量储量丰富的过渡金属材料被发展为潜在的直接肼燃料电池阳极催化剂。基于研究发现，提升催化剂性能的途径可主要归纳为两种：其一是将过渡金属元素与其它金属元素合金化或与非金属元素形成化合物以提高催化剂本征活性，进而提高催化剂催化肼分子电化学氧化活性；其二则是运用纳米结构工程策略来增加催化剂的活性位点数目，进而实现催化性能的改善。在实践中，通常是将两种方法相结合使用。基于这两种方法的综合运用，已产生了几种代表性直接肼燃料电池阳极的催化剂，它们在近室温下，对碱性条件下肼的电化学氧化反应展现出了高催化活性。然而，现有阳极催化剂的催化性能还不能满足直接肼燃料电池商业化应用需求，缺乏先进、高效阳极电催化剂成为发展直接肼燃料电池技术的关键问题。在此，需要注意的是，由于缺乏对肼电化学氧化反应过程的深入了解，现有的筛选直接肼燃料电池阳极电催化剂的方法基本属于经验尝试型。这使得明智选择电催化材料非常重要，这需要综合考虑材料的本征活性，活性位点数和电导率等三个方面。