[发明专利]一种高比表面积氧还原催化剂及其在氢燃料电池中的应用

权利要求书

1.一种高比表面积氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，采用硬盐模板法制备N掺杂多孔碳，将硬盐模板与含氮的物质按一定比例混合，固相研磨，将二者完全混合均匀，之后在高温下煅烧，再经过酸洗将盐洗掉，放在鼓风干燥箱中干燥，之后再放入管式炉中煅烧，进一步提高N掺杂多孔碳的石墨化程度；

步骤(2)，将步骤(1)所制备的N掺杂多孔碳作为载体，利用化学浸渍法和多元醇还原法制备高比表面积氧还原催化剂：首先将一定的N掺杂多孔碳与含有NaOH的乙二醇溶液进行混合，利用超声和搅拌将其混合均匀，形成溶液A；将金属盐溶于乙二醇中，形成溶液B；之后边搅拌边将一定量的溶液B逐滴加入到溶液A中，室温搅拌使其混合均匀；采用多元醇还原法，将油浴的温度控制在120℃-180℃进行还原反应，反应时间60min-120min，经过离心洗涤，干燥，最后在惰性气氛、700-1000℃下高温热解15-45min，促使颗粒晶型及晶面发生转变，得到最终的高比表面积氧还原催化剂。

2.按照权利要求1所述的一种高比表面积氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，硬盐模板：含氮物质的质量比为1-10:1；硬盐模板选自MgCl₂·6H2O、NaCl、KCl等，含氮的物质选自腺嘌呤、双氰胺、尿素等。

3.按照权利要求1所述的一种高比表面积氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，第一次高温煅烧的温度为800℃～1100℃，气氛为惰性气氛，时间为30min-1h；酸洗采用2M HCl进行酸洗；管式炉中第二次高温煅烧的温度为800-1100℃，气氛为惰性气氛，时间为30min-1h。

4.按照权利要求1所述的一种高比表面积氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，溶液A中NaOH的浓度范围为10mM-14mM；N掺杂多孔碳的浓度范围为0.2mg/ml-0.8mg/ml；步骤(2)中，溶液B中金属盐的浓度为8-12mM，优选10mM，金属盐选自乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴、乙酰丙酮镍、氯铂酸、乙酰丙酮钯、乙酰丙酮铑、乙酰丙酮钌、硝酸银等中的一种或几种；步骤(2)中，滴加B溶液时控制金属盐、N掺杂多孔碳的用量关系，优化最终高比表面氧还原催化剂中金属负载量为2.5-20wt％，进一步控制NaOH/金属盐的摩尔比为25：1，从而优选性能。

5.按照权利要求1-4任一项所述的方法制备得到的高比表面积氧还原催化剂。

6.按照权利要求1-4任一项所述的方法制备得到的高比表面积氧还原催化剂，所得催化剂比表面积不低于1800m²/g，其中2-50nm的介孔占比大于50％。

7.按照权利要求1-4任一项所述的方法制备得到的高比表面积氧还原催化剂，经过高温热解之后,金属选自Pt时，金属Pt以Pt颗粒的形式存在，颗粒粒径在3-4nm之间，Pt颗粒在N掺杂多孔碳上均匀分布，同时使得Pt颗粒的Pt(111)晶面的暴露。

8.按照权利要求1-4任一项所述的方法制备得到的高比表面积氧还原催化剂的应用，用于氢燃料电池，尤其用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)。

9.权利要求8所述的应用，选用40％商业Pt/C作为阳极催化剂，本发明制备的高比表面积氧还原催化剂作为阴极催化剂，Nafion溶液做为离聚物，通过GDL(Gas diffusionelectrode)法或者CCM(Catalyst coated membrane)法制备膜电极，之后应用在质子交换膜燃料电池上，膜电极阴极催化层厚度为3-20微米。

10.权利要求8所述的应用，当选用金属Pt时，阴极的Pt载量大于等于0.01mg_Pt/cm²小于等于0.1mg_Pt/cm²。