[发明专利]碱性体系直接甲醇燃料电池阳极催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碱性体系直接甲醇燃料电池阳极催化剂，是采用碳纤维布作为载体，以其负载可溶性的镍盐和钨酸盐及硫脲进行水热反应，惰性气氛下700℃煅烧得到的、由镍钨双金属纳米晶负载在碳纤维布上形成的复合催化剂NiWOsubgt;4/subgt;/WOsubgt;2/subgt;‑700@CC。本发明催化剂对甲醇具有很强的电催化氧化活性，峰值电流密度可达287mA cmsupgt;‑2/supgt;，并具有良好的稳定性，作为碱性体系直接甲醇燃料电池阳极催化剂，具有优良的电化学反应活性。

技术领域

本发明属于电化学催化氧化技术领域，涉及燃料电池阳极催化剂，特别是涉及碱性体系下的直接甲醇燃料电池非贵双金属合金材料阳极催化剂及其制备方法。本发明制备的催化剂可以用于甲醇燃料的电化学催化氧化。

背景技术

随着现代工业文明的发展，传统不可再生化石燃料日益枯竭，当前发展可持续绿色能源对话技术就显得尤为必要和迫切。直接甲醇燃料电池（DMFC）作为一种很有前途的化石燃料候选电池，以其低污染物排放、能量密度高和易于处理而受到人们的广泛关注。直接甲醇燃料电池中许多参数直接限制其的转换效率，如膜渗透、CO中毒和电催化剂性能等等，而其中最迫切需要解决的技术则是寻找一种高效的电催化剂，以促进甲醇氧化反应（MOR）。

铂催化剂已被证明是MOR中一种有效的电催化剂，但资源稀缺、价格昂贵、易受一氧化碳中毒等因素限制了其的大规模应用。如何开发低成本、高效的MOR电催化剂，是目前必须解决的关键问题。

过渡金属的合金、金属氧化物和氢氧化物成本低，不易中毒，被广泛用作MOR的电催化剂。其中，金属镍一直被认为是主要的催化活性组分，并且大量文献报道了镍基材料用作MOR电催化剂的研究。然而，大多数这类电催化剂的活性和稳定性仍然不能满足实际的需求，例如在本发明的甲醇电化学氧化反应活性测试条件下，单质镍催化剂的峰值电流密度仅有129mA∙cm²。

为进一步提高催化剂性能，目前采用了多种方法，包括金属或非金属掺杂、异质界面工程和结构工程策略等。通过金属掺杂，不同金属间的协同效应可以为催化剂提供丰富的活性位点，调节电子结构，提高导电性等。

吴等（Facile Synthesis of Cu/NiCu Electrocatalysts Integrating Alloy,Core-Shell, and One-Dimensional Structures for Efficient Methanol OxidationReaction.  ACS Appl Mater Interfaces, 2017, 9(23): 19843-19851.）采用简单的一锅法制备了集成合金Cu/NiCu纳米线（NWs），由于双金属的协同作用，使得该催化剂具有极好的催化活性和稳定性，在1.55V的过电位下，电流密度可达34.9mA cm^-2，在电流密度100mAcm⁻²下可连续运行10000s而活性基本保持不变。

界面工程可以通过加入不同的相来调整表面的纳米界面，有利于不同组分之间的电荷转移，通过产生界面活性位点来增强本征催化活性。另外，不同组分之间的电子协同效应有利于优化中间催化物种在活性位点上的吸附/解吸能态，为制备具有优异本征催化活性的高效电催化剂提供了新的途径。

虽然已经大量报道了关于MOR的催化剂，但集高活性和稳定性一体的催化剂的制备仍然是一个巨大的挑战，此外，这些催化剂的导电性也较差。

活性组分纳米粒子的聚集或团聚一直是制备纳米材料遇到的关键问题。为了解决这一问题，通常使用具有丰富孔隙率的导电基质作为活性材料的良好载体，包括碳纤维布（CC）、泡沫镍、碳纳米管以及其他的炭材料。但在制备电极时，需要使用粘结剂将活性组分与这些基质结合，这就不可避免地引起了电子和质传速率的下降，同时，活性组分在使用过程中也容易脱落。