燃料电池的纳米蓝钻催化剂及制备方法和燃料电池技术

本发明专利技术提供一种燃料电池的纳米蓝钻催化剂及制备方法，包括如下步骤：S1：通过爆炸法，将含碳炸药转化成金刚石，得中间产物，对所述中间产物进行筛选，分离得到纳米金刚石颗粒；或者通过高温高压法或化学气相沉积法生长金刚石晶体，将所述金刚石晶体通过物理手段粉碎成微纳米级别的颗粒，得到纳米金刚石颗粒；S2：提供不导电金刚石作为基底材料，以所述纳米金刚石颗粒为原料在所述基底材料的表面组装形成导电金刚石包裹层，得到纳米蓝钻催化剂。S3：对所述纳米蓝钻催化剂进行表面处理，使其具有疏水性或吸氢性。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池的纳米蓝钻催化剂及制备方法和燃料电池
本专利技术涉及燃料电池的纳米蓝钻催化剂及制备方法和燃料电池。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。燃料电池的工作过程实际上是电解水的逆过程，其基本原理早在1839年由英国律师兼物理学家威廉.罗泊特.格鲁夫(WilliamRobertGrove)提出，他是世界上第一位实现电解水逆反应并产生电流的科学家。一个半世纪以来，燃料电池除了被用于宇航等特殊领域外，极少受到人们关注。只是到近十几年来，随着环境保护、节约能源、保护有限自然资源的意识的加强，燃料电池才开始得到重视和发展。PEMFC技术是目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术：(1)氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子(即质子)并释放出带负电的电子。(2)氢离子穿过电解质(质子交换膜)到达阴极；电子则通过外电路到达阴极。电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。(3)在电池另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极；在阴极催化剂作用下，氧与氢离子及电子发生反应生成水。<br>质子交换膜燃料电池的催化剂目前基本为Pt基材料，主要为Pt/Pd、Pt/Ru合金负载在碳载体上，因为燃料电池的阴极需要在产生水后将其释放出来，以便腾出催化的位置，如果水黏附在其表面就会影响后续的反应，降低工作效率。但全球的Pt族金属储量仅为71000吨。Pt的稀缺和高昂的价格严重限制其商业化应用。且Pt/C层作为阴极催化层，在醇类燃料中易被氧化导致CO中毒，使其无法应用于醇类燃料电池，因此对于非Pt催化剂的研究具有十分重要的实际意义。
技术实现思路
基于上述提及的问题，有必要提供一种燃料电池的纳米蓝钻催化剂及制备方法和使用该纳米蓝钻催化剂的燃料电池。一种燃料电池的纳米蓝钻催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1：通过爆炸法，将含碳炸药转化成金刚石，得中间产物，对所述中间产物进行筛选，分离得到纳米金刚石颗粒；或者通过高温高压法或化学气相沉积法生长金刚石晶体，将所述金刚石晶体通过物理手段粉碎成微纳米级别的颗粒，得到纳米金刚石颗粒；S2：提供不导电金刚石作为基底材料，以所述纳米金刚石颗粒为原料在所述基底材料的表面组装形成导电金刚石包裹层，得到纳米蓝钻催化剂。S3：对所述纳米蓝钻催化剂进行表面处理，使其具有疏水性或吸氢性。在一个实施例中，所述导电金刚石包裹层的厚度为1-1000nm。在一个实施例中，所述S2步骤中，所述纳米金刚石颗粒通过热丝化学气相沉积法组装到所述基底材料上，所述热丝化学气相沉积法的参数为:基台温度500-800℃，热丝温度180-2400℃，气压1-5kPa，通入氢气100-1000sccm，甲烷1-20sccm，硼烷1-20sccm，生长10min以上。在一个实施例中，所述S2步骤中，所述纳米金刚石颗粒通过微波等离子体化学气相沉积法组装到所述基底材料上，所述微波等离子体化学气相沉积法的参数为：微波功率500-3000瓦，通入氢气100-1000sccm，甲烷1-20sccm，硼烷1-10sccm，基台温度500-700℃，气压4-6kPa，生长时间3-10h。在一个实施例中，所述步骤S3包括：关闭碳源和硼源，维持步骤S2中的其他参数不变，在通入氢气的条件下反应1-30分钟，使所述纳米蓝钻催化剂表面形成C-H键。在一个实施例中，所述步骤S3包括：在80℃下，采用浓度98％的浓硫酸对所述纳米蓝钻催化剂处理1小时，使所述纳米蓝钻催化剂表面形成醚键或醛基。在一个实施例中，所述步骤S3包括：把纳米蓝钻催化剂浸泡于浓度30％-50％的双氧水中，用254nm的紫外光照射1小时，使所述纳米蓝钻催化剂表面形成羟基。在一个实施例中，所述步骤S1中，通过采用酸洗氧化去除中间产物中的杂质，分理出所述纳米金刚石颗粒。一种燃料电池的纳米蓝钻催化剂，使用上述所述的任一项所述的燃料电池的纳米蓝钻催化剂的制备方法制得。一种燃料电池，包括阳极和阴极，所述阳极和/或阴极使用上述所述的任一项所述的纳米蓝钻催化剂。本专利技术的有益效果是：(1)纳米蓝钻催化剂是外层为纳米导电金刚石颗粒包裹内核为不导电金刚石颗粒的结构，使得参与反应的纳米导电金刚石颗粒具有巨大的有效反应面积，提高了其反应效率。(2)对纳米蓝钻催化剂进行表面处理，可以使其具有吸附氢气或疏水的性能，可分别应用于燃料电池的阳极催化剂和阴极催化剂上，提高燃料电池整体的效率。(3)纳米蓝钻催化剂的原料是金刚石，金刚石可以人工合成，相比起铂金的稀少，是可以进行大量生产的原料，更易获得。且价格比起铂金低廉，可以大规模商业应用，使得燃料电池的推广应用更具可能性。(4)导电金刚石具有比铂金更加优异的机械强度、导热系数、电化学和化学性能，更适宜作为燃料电池的催化剂使用。(5)纳米蓝钻催化剂应用于燃料电池中，其化学反应更加安全，避免铂金作催化剂产生有毒CO的问题，更加安全环保。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为纳米蓝钻催化剂的一扫描电镜SEM图。图2为纳米蓝钻催化剂的另一扫描电镜SEM图。图3为纳米蓝钻催化剂的又一扫描电镜SEM图。图4为一实施例中表面处理后的纳米蓝钻催化剂的傅里叶变换红外光谱图。图5为使用纳米蓝钻催化剂的燃料电池的结构示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供一种燃料电池的纳米蓝钻催化剂及其制备方法，该纳米蓝钻催化剂为外层导电金刚石包裹层包裹内核为不导电金刚石的结构，通过本专利技术提供的燃料电池的纳米蓝钻催化剂的制备方法制得，包括如下步骤：步骤S1：提供获得纳米金刚石颗粒的一种方法，实施例01：通过爆炸法，将含碳炸药转化成金刚石，得中间产物，对所述中间产物进行筛选，分离得到纳米金刚石颗粒。其中，爆炸法转化为金刚石的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池的纳米蓝钻催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：/n通过爆炸法，将含碳炸药转化成金刚石，得中间产物，对所述中间产物进行筛选，分离得到纳米金刚石颗粒；或者/n通过高温高压法或化学气相沉积法生长金刚石晶体，将所述金刚石晶体通过物理手段粉碎成微纳米级别的颗粒，得到纳米金刚石颗粒；/nS2：/n提供不导电金刚石作为基底材料，以所述纳米金刚石颗粒为原料在所述基底材料的表面组装形成导电金刚石包裹层，得到纳米蓝钻催化剂；/nS3：/n对所述纳米蓝钻催化剂进行表面处理，使其具有疏水性或吸氢性。/n

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池的纳米蓝钻催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：
通过爆炸法，将含碳炸药转化成金刚石，得中间产物，对所述中间产物进行筛选，分离得到纳米金刚石颗粒；或者
通过高温高压法或化学气相沉积法生长金刚石晶体，将所述金刚石晶体通过物理手段粉碎成微纳米级别的颗粒，得到纳米金刚石颗粒；
S2：
提供不导电金刚石作为基底材料，以所述纳米金刚石颗粒为原料在所述基底材料的表面组装形成导电金刚石包裹层，得到纳米蓝钻催化剂；
S3：
对所述纳米蓝钻催化剂进行表面处理，使其具有疏水性或吸氢性。


2.根据权利要求1所述的燃料电池的纳米蓝钻催化剂的制备方法，其特征在于，所述导电金刚石包裹层的厚度为1-1000nm。


3.根据权利要求1所述的燃料电池的纳米蓝钻催化剂的制备方法，其特征在于，所述S2步骤中，所述纳米金刚石颗粒通过热丝化学气相沉积法组装到所述基底材料上，所述热丝化学气相沉积法的参数为:基台温度500-800℃，热丝温度180-2400℃，气压1-5kPa，通入氢气100-1000sccm，甲烷1-20sccm，硼烷1-20sccm，生长10min以上。


4.根据权利要求1所述的燃料电池的纳米蓝钻催化剂的制备方法，其特征在于，所述S2步骤中，所述纳米金刚石颗粒通过微波等离子体化学气相沉积法组装到所述基底材料上，所述微波等离子体化学气相沉积法的参数为：微波功率500...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟建华，张文英，
申请(专利权)人：广州市德百顺电气科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44