[发明专利]一种碳材料负载氟掺杂碳化铌纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种碳材料负载氟掺杂碳化铌纳米复合材料及其制备方法和应用。本发明的碳材料负载氟掺杂碳化铌纳米复合材料是将氟掺杂碳化铌负载在碳材料上；碳化铌的负载量为10～70wt％，氟掺杂量为碳化铌的0.5～5mol％。该复合材料应用到直接醇类燃料电池中，具有催化醇氧化反应的能力，可以显著提高燃料电池的电化学性能(如峰电流)。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，具体涉及一种碳材料负载氟掺杂碳化铌纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

由于化石能源的过度开采和使用，全球面临着严峻的能源危机和环境问题，发展新型清洁能源迫在眉睫。燃料电池由于不受卡诺循环，能量转换效率高，受到广泛关注。与氢气相比，液体醇类在生产、储存、运输和使用方面更加便捷，因此直接醇类燃料电池的发展备受瞩目，特别是在新能源汽车领域的应用，受到格外重视。

催化剂作为燃料电池的关键核心组件，对燃料电池的性能与价格具有至关重要的影响。长期以来，燃料电池催化剂主要由Pt族贵金属及其合金构成。然而，铂族贵金属资源稀缺、价格昂贵，严重制约着燃料电池的大规模应用。此外，由于醇氧化反应过程中间产物对Pt具有强烈毒化作用，导致Pt基催化剂稳定性不佳，严重制约长效稳定的直接醇类燃料电池的开发。因此，开发性能优异、价格低廉、原料来源广泛的非贵金属催化剂是燃料电池研究领域的重要努力方向。

目前为止，例如Fe-N-C、Co-N-C、Zn_0.4Ni_0.6Co₂O₄/NCNTs等非贵金属催化剂已经被报道在燃料电池阴极氧还原反应中展现出优异的催化活性，具有重要应用潜力。然而，直接醇类燃料电池阳极非贵金属催化剂的研究进展却鲜有报道，尤其是酸性介质中。因此，开发在酸性介质中具有应用潜力的阳极醇氧化反应非贵金属催化剂，是发展全非贵金属燃料电池全面临的重大挑战和机遇。

碳化物具有类铂的电子结构和催化行为。因此，碳化物在许多领域被广泛应用，如Mo₂C可作为析氢催化剂，W₂C@N,P-C可作为全pH下氢电氧化催化剂等。而杂原子掺杂可以有效地改变材料的电荷密度分布、带隙宽度等电子结构，进而改变其电催化性能。氟具有最大的电负性和最小的原子半径，研究表明氟掺杂可有效改善材料电子结构和催化活性[Adv.Mater.2017,29,1604103]。此前，我们已经报道过氟掺杂纳米碳化钽/石墨化碳复合材料(中国专利CN103977827A)在酸性介质中展现出优异的催化醇的性能，是直接醇类燃料电池阳极催化剂中有潜力的候选者。

面对现有的非贵金属燃料电池催化剂较为稀缺的现状，需要开发新的非贵金属燃料电池催化剂。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中非贵金属燃料电池催化剂稀缺的问题，提供一种新的直接醇类燃料电池阳极非贵金属催化剂——碳材料负载氟掺杂碳化铌纳米复合材料。该材料应用到直接醇类燃料电池中，具有催化醇氧化反应的能力。

本发明的另一目的在于，提供上述碳材料负载氟掺杂碳化铌纳米复合材料的制备方法。

本发明的另一目的在于，提供上述碳材料负载氟掺杂碳化铌纳米复合材料在制备直接醇类燃料电池阳极中的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种碳材料负载氟掺杂碳化铌纳米复合材料，氟掺杂碳化铌负载在碳材料上；碳化铌的负载量为10～70wt％，氟掺杂量为碳化铌的0.1～5mol％。

本发明通过大量研究发现，如将具有氯化钠晶型(六方晶型)结构的碳化铌晶体负载到碳材料上，形成特定的的碳材料负载碳化铌纳米复合材料，同时将一定量的氟元素掺杂到碳化铌晶体中，可以使得该复合材料作为燃料电池的阳极催化剂，具有很好的催化醇氧化反应的能力，提高燃料电池的电化学性能(如峰电流)。