一种燃料电池用阴极催化剂及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种燃料电池用阴极催化剂及其制备方法和用途。所述燃料电池用阴极催化剂包括氮掺杂的多孔碳基底以及生长于氮掺杂的多孔碳基底上的活性粒子，所述活性粒子包括金属钴内核以及包覆于内核表面的氧化钴。本发明专利技术提供了一种以氧化钴为壳金属钴为核，钴氮共掺杂的多孔碳复合材料C

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池用阴极催化剂及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于燃料电池催化剂制备
，涉及一种燃料电池用阴极催化剂及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]随着工业社会的快速发展，人民生活水平的日益提高，随之而来的环境问题也越来越严重。地球只有一个，环境污染不容忽视。氢燃料电池作为一种清洁的能量转换器，原料为氢气和空气，产物为水，不产生任何污染环境的物质，是一种理想的清洁能源。其中阴极催化剂材料为氢燃料电池推广中的一个主要制约因素。
[0003]燃料电池阴极催化剂大致可以分为贵金属催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂。目前来看，贵金属Pt以及Pt基合金被认为是催化性能最好的、应用最广泛的燃料电池催化剂。然而由于其价格高昂导致生产成本高以及Pt资源的稀缺性，使得想要大规模的商业化生产受到了制约。并且在燃料电池系统中，容易发生催化剂中毒现象，在进行氧还原反应(ORR)的过程中，Pt还会加重碳载体的氧化和腐蚀现象，直至造成结构坍塌，进而导致催化剂失活，从而降低电极寿命。所以开发非贵金属催化剂具有重大的现实意义。
[0004]非贵金属催化剂一般分为以下几种：过渡金属(主要为Fe、Co、Ni等)及其氧化物、硫化物和大环化合物。非金属催化剂常见的是N、S、P、B等异质原子掺杂的碳材料。尤其是N掺杂的碳材料，由于N原子电负性比C原子更强，导致碳基体中的电荷分布不均匀，相邻的碳原子将成为氧吸附和还原的活性位点，从而提高ORR的催化活性。
[0005]多孔碳材料具有高表面积、高孔隙率、高稳定性、高机械强度和较高的导电性等独特的性能，是一种优异的载体材料。
[0006]CN102451727A公开了一种M/N
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C催化剂及其制备和应用，采用钴盐与聚吡咯(PPy)直接浸渍，使Co与PPy上的N作用形成催化中心后，直接高温热处理该样品使得PPy发生热分解形成碳骨架，该碳骨架直接作为新型催化剂的碳载体以增强催化剂的导电性。虽然聚吡咯碳化之后能提供给催化粒子Fe、Co、Ni更大的比表面积，但是上述方法制备过程繁琐、影响因素多，聚吡咯碳化过程需要高温处理，并且需要惰性气体保护防止催化粒子氧化，催化剂活性无法满足燃料电池实际应用要求。
[0007]CN102916203A公开了一种质子交换膜燃料电池阴极非铂催化剂及其制备方法，包括三聚氰胺甲醛树脂的制备反应，然后加入金属盐，三聚氰胺甲醛树脂和金属盐之间发生络合反应，形成络合物，将溶剂蒸发后，经热处理分解，即生成具有空心球型结构的质子交换膜燃料电池阴极非铂催化剂。但三聚氰胺甲醛树脂导电性差，使催化剂的导电性降低，与上述方案类似，空心球型结构的制备也同样无法避免对有机物的高温热处理，随之产生的复杂成分有害气体的产生，不利于达到节能环保要求。
[0008]因此，如何采用廉价易得的原材料，利用简单、容易操作的制备方法来获得催化活性优异的燃料电池阴极氧还原反应催化剂，是急需解决的技术问题。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供一种燃料电池用阴极催化剂及其制备方法和用途。本专利技术提供了一种以氧化钴为壳金属钴为核，钴氮共掺杂的多孔碳复合材料C
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Co
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N，其具有多级孔结构的N掺杂碳材料，构成Co
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N
x
催化位点，同时与核壳结构的CoO@Co纳米颗粒通过协同作用，提升了催化剂的氧还原催化性能，且制备方法简单、容易操作，含碳生物质原材料分布广泛、廉价易得。
[0010]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]第一方面，本专利技术提供一种燃料电池用阴极催化剂，所述燃料电池用阴极催化剂包括氮掺杂的多孔碳基底以及生长于所述氮掺杂的多孔碳基底上的活性粒子，所述活性粒子包括金属钴内核以及包覆于所述内核表面的氧化钴。
[0012]本专利技术提供了一种以氧化钴为壳金属钴为核，钴氮共掺杂的多孔碳复合材料C
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Co
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N，其具有多级孔结构的N掺杂碳材料，构成Co
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N
x
催化位点，同时与核壳结构的CoO@Co纳米颗粒通过协同作用，提升了催化剂的氧还原催化性能。
[0013]本专利技术中，多孔碳基底经过N掺杂，由于N原子电负性比C原子更强，导致碳基体中的电荷分布不均匀，相邻的碳原子将成为氧吸附和还原的活性位点，从而提高了ORR的催化活性。如果不进行氮掺杂，则会影响催化剂对于ORR的催化活性。
[0014]优选地，所述燃料电池用阴极催化剂的原料包括含碳生物质、钴盐和氮源。
[0015]本专利技术中，选用含碳生物质作为原料，其分布广泛，廉价易得，且优选为生物质废弃料，变废为宝，可以很好的处理掉各种生物废弃物，充分利用自然界里的碳资源，降低了碳材料的生产成本，促进了可持续发展。
[0016]优选地，所述氮掺杂的多孔碳基底还包括硅元素。
[0017]本专利技术中，针对不同种类的含碳生物质，催化剂中还会包括硅元素，而硅元素同样有利于氧还原催化剂活性位点的建立。
[0018]优选地，以所述燃料电池用阴极催化剂的质量为100％计，C元素的质量占比为80～85％，例如80％、81％、82％、83％、84％或85％等。
[0019]优选地，以所述燃料电池用阴极催化剂的质量为100％计，O元素的质量占比为6～15％，例如6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％或15％等。
[0020]优选地，以所述燃料电池用阴极催化剂的质量为100％计，N元素的质量占比为3～6％，例如3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％或6％等。
[0021]优选地，以所述燃料电池用阴极催化剂的质量为100％计，Si元素的质量占比为1～4％，例如1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％或4％等。
[0022]优选地，以所述燃料电池用阴极催化剂的质量为100％计，Co元素的质量占比为1～3％，例如1％、1.5％、2％、2.5％或3％等。
[0023]本专利技术中，催化剂中的各个元素的质量占比经过协同作用，共同实现了优异的氧还原催化活性。
[0024]第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述的燃料电池用阴极催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0025](1)将含碳生物质、钴盐和调节剂进行混合，得到碱性混合溶液，水热，冷冻干燥，得到前驱体；
[0026](2)在保护性气氛下，将步骤(1)所述前驱体进行碳化热处理，得到所述燃料电池用阴极催化剂。
[0027]本专利技术中，利用来源广泛的含碳生物质为原料，制备得到了催化性能优异的氧还原催化剂，通过钴盐对富含碳的生物质材料进行水热处理，然后经过碳化过程，得到了氮掺杂的多孔碳基底以及生长于氮掺杂的多孔碳基底上的活性粒子，所述活性粒子包括金属钴内核以及包覆与内核表面的氧化钴。
[0028]本专利技术中，通过钴盐和生物质材料在弱碱性溶液中的水热处理，由于生物质中含本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用阴极催化剂，其特征在于，所述燃料电池用阴极催化剂包括氮掺杂的多孔碳基底以及生长于所述氮掺杂的多孔碳基底上的活性粒子，所述活性粒子包括金属钴内核以及包覆于所述内核表面的氧化钴。2.根据权利要求1所述的燃料电池用阴极催化剂，其特征在于，所述燃料电池用阴极催化剂的原料包括含碳生物质、钴盐和氮源。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池用阴极催化剂，其特征在于，所述氮掺杂的多孔碳基底还包括硅元素；优选地，以所述燃料电池用阴极催化剂的质量为100％计，C元素的质量占比为80～85％；优选地，以所述燃料电池用阴极催化剂的质量为100％计，O元素的质量占比为6～15％；优选地，以所述燃料电池用阴极催化剂的质量为100％计，N元素的质量占比为3～6％；优选地，以所述燃料电池用阴极催化剂的质量为100％计，Si元素的质量占比为1～4％；优选地，以所述燃料电池用阴极催化剂的质量为100％计，Co元素的质量占比为1～3％。4.一种如权利要求1
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3任一项所述的燃料电池用阴极催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将含碳生物质、钴盐和调节剂进行混合，得到碱性混合溶液，水热，冷冻干燥，得到前驱体；(2)在保护性气氛下，将步骤(1)所述前驱体进行碳化热处理，得到所述燃料电池用阴极催化剂。5.根据权利要求4所述的燃料电池用阴极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述钴盐包括醋酸钴；优选地，步骤(1)所述调节剂包括氨水。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：王英，陈佩佩，李潇龙，徐勋高，漆海龙，
申请(专利权)人：中汽创智科技有限公司，
类型：发明
国别省市：