[发明专利]一种具有高密集型活性位点的燃料电池催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有高密集型活性点位的燃料电池氧还原催化剂及其制备方法，所述的催化剂由特殊设计的高密集型的Fe‑Nx‑C和负载其上的铂纳米颗粒构成，其特征为高密集型的Fe‑Nx活性位点没有相互团聚，而是在热耦合的作用下形成了区域密集型的活性位点，构成的具有特殊结构的Fe‑Nx‑C基底本身就具有非常好的氧还原活性，负载其上的少量纳米铂颗粒因为载体‑金属间的协同作用，更充分的发挥出了其活性。该方法一定程度上解决了传统碳基底性能不足的问题，减少了铂用量，在低温氢能燃料电池的实际应用中具有很好的前景。

技术领域

本发明涉及一种具有高密集型活性点位的燃料电池氧还原催化剂及其制备方法，属于燃料电池催化剂技术领域。

背景技术

在众多新能源中，燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，它具有可靠性高、环境友好、高能量密度、噪音小等优点而受到世界各地研究者的广泛研究。燃料电池按电池电解质类型分类可以分为以下几种：固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和磷酸燃料电池（PAFC）。在这当中，质子交换膜燃料电池因重量轻、工况温度低、启动速度快、寿命长、比能量高、无电解液的流失和腐蚀等优点，已逐渐成为大型客车，潜艇等的理想电源，世界各国也在大力推进PEMFC的商业化应用。但是，PEMFC作为理想的能源转换装置之一，却一直没法真正的大规模生产与应用，主要因为还存在着催化剂成本高与耐久性低等问题。其中，催化剂作为PEMFC中的关键材料，催化剂技术存在的问题严重阻碍了PEMFC的发展。因此，开发低成本、高性能、耐久性高的催化剂材料有望解决这一关键问题并进一步推进PEMFC的发展。

金属-氮-碳材料已被证明是PEMFC中最有前途的非贵金属催化剂，但仍受限于金属-氮活性中心的缓慢动力学。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：一般金属-氮-碳材料受限于金属-氮活性中心的缓慢动力学，传统的商业化催化剂性能和耐久性不足，成本高的问题。本发明采用了一种具有高密集型Fe-Nx活性位点的碳基底，区域密集型Fe-Nx活性位点构建的碳基底提供了高的氧还原活性，负载其上的少量纳米铂颗粒因为金属-载体间的协同作用，更好的发挥出了其活性，有效减少了催化剂的成本和大幅度优化了其性能。

一种燃料电池催化剂的制备方法，包括如下步骤：

第1步，将碳源在氨气气氛下煅烧，煅烧并研磨后作为高比表面积碳；将铁基氮源、氨水、高比表面积碳与去离子水混合，搅拌均匀后，冻干；将冻干后的粉体在氩气气氛中煅烧，得到具有高密集型活性位点的碳基底；

第2步，将碳基底、铂源加入到溶剂中搅拌均匀，加热处理后，产物离心、洗涤、干燥，得到负载纳米Pt颗粒的催化剂。

在一个实施方式中，所述的第1步中碳源采用科琴黑EC-600高比表面积碳。

在一个实施方式中，所述的第1步中铁基氮源是氯化血红素。

在一个实施方式中，所述的氨气气氛下煅烧是管式炉中850-900℃，时间为0.5-3h。

在一个实施方式中，所述的铂源是H₂PtCl₆·6H₂O。

在一个实施方式中，所述的第1步中氩气气氛中煅烧的参数是：温度为600-800℃，时间为2 h。