[发明专利]一种碳纳米管限域型燃料电池催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明揭示了一种碳纳米管限域型燃料电池催化剂及其制备方法和应用。所述制备方法包括：将氯铂酸、过渡金属盐、胺类化合物和溶剂均匀混合后，形成混合体系；将混合体系蒸干，研磨，得到前驱体粉末；将前驱体粉末置于高温炉中于惰性气体中煅烧，且煅烧后洗涤至中性，干燥，获得所述的碳纳米管限域型燃料电池催化剂。本发明通过简单的一步法制备得到氮掺杂碳纳米管包覆的Pt‑M合金催化剂，Pt‑M合金纳米粒子被氮掺杂的碳纳米管很好的保护起来，防止了纳米粒子的团聚和外界的侵蚀；氮掺杂碳纳米管结构能提高催化剂电子传输速率，加快反应的进行，形成的中空管结构也提高了催化剂比表面积，暴露更多的活性位点，大大提升了催化剂的催化性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种碳纳米管限域型燃料电池催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着化石能源的大量开采利用，造成化石能源日益枯竭，并且带来环境污染等问题。发展清洁能源能够有效的缓解环境污染和能源危机问题。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells，PEMFCs)由于其采用氢气和氧气为燃料，其最终产物为水。并且氢气和氧气能够通过电解水产生，形成水循环能源。PEMFCs具有高能源转化效率、零排放、快速启动等特点受到广泛的关注，也成为发展最后迅速的新能源之一。然而，用于实际应用的质子交换膜燃料电池的商业化仍受到其电极催化剂的高成本和低稳定性的限制。

催化剂是PEMFCs的核心组成部分，目前来说，质子交换膜燃料电池目前40％以上的成本来自于燃料电池电堆的铂催化剂。碳载铂催化剂(Pt/C)是质子交换膜燃料电池中最广泛使用的阳极和阴极催化剂。在各种类型的载体材料中，炭黑(VulcanXC-72)由于其高导电性和高比表面积而被广泛用于质子交换膜燃料电池中，但是在实际燃料电池加湿、高电压条件下运行，炭黑会受到碳腐蚀，导致铂纳米粒子的损失；同时，由于铂纳米粒子和碳载体之间的弱相互作用导致铂的迁移和聚集使铂纳米粒子活性位点的损失，导致长期操作后催化活性的不可避免损失。替代碳黑载体的碳纳米管和石墨烯材料，已经被广泛研究，由于高度石墨化的结构，其表现出更高的抗碳腐蚀能力，但是铂纳米粒子还是暴露在外面，导致铂的团聚，使催化剂活性衰减较大。催化剂决定了燃料电池装置的寿命和成本，由于铂价格较高、储量有限，大大限制了其广泛的应用。

基于目前质子交换膜燃料电池所用的催化剂存在的技术缺陷，有必要对此进行改进。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种碳纳米管限域型燃料电池催化剂及其制备方法和应用，以克服现有技术中存在的不足。

为实现前述发明目的，本发明实施例采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种碳纳米管限域型燃料电池催化剂的制备方法，包括：

将氯铂酸、过渡金属盐、胺类化合物和溶剂均匀混合后，形成混合体系；

将混合体系蒸干，研磨，得到前驱体粉末；

将前驱体粉末置于高温炉中于惰性气体中煅烧，且煅烧后洗涤至中性，干燥，获得所述的碳纳米管限域型燃料电池催化剂；

其中，所述胺类化合物包括双氰胺、三聚氰胺或尿素中的任意一种。

进一步地，所述的碳纳米管限域型燃料电池催化剂的制备方法，包括：将前驱体粉末置于高温炉中，于惰性气体中以1～10℃/min速率升温至300～500℃并煅烧1～3h，再以1～10℃/min速率升温至600～1000℃并煅烧1～6h。

进一步地，所述氯铂酸、过渡金属盐与胺类化合物的摩尔比为(1～5)∶(1～5)∶(10～100)。

进一步地，所述蒸干的温度为50～120℃。

本发明实施例还提供了由前述方法制备而成的碳纳米管限域型燃料电池催化剂。