一种用于质子交换膜氢氧燃料电池阴极的非贵金属催化剂的制备方法技术

本发明专利技术提供一种用于质子交换膜氢氧燃料电池阴极的非贵金属催化剂的制备方法，所述催化剂为CoNi@N

【技术实现步骤摘要】
一种用于质子交换膜氢氧燃料电池阴极的非贵金属催化剂的制备方法


[0001]本专利技术涉及质子交换膜燃料电池材料领域，具体涉及一种质子交换膜氢氧燃料电池阴极非贵金属催化剂的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜氢氧燃料电池由于其零污染排放、低的工作温度、高的功率密度、快速反应等特性，已被应用于许多领域，如车辆、潜艇和无人机等，因此，质子交换膜氢氧燃料电池具有广阔的应用前景。质子交换膜氢氧燃料电池是清洁能源氢能主要的利用单元。质子交换膜燃料电池的基本单元被称为膜电极组件，也被称为MEA，它包含五个主要部分，质子交换膜，阳极和阴极催化剂层，以及阳极和阴极气体扩散层。质子交换膜燃料电池的优势是显而易见的。首先，对环境是友好的，可以实现有害物的零污染零排放，因为其唯一产物是水。然后，它可以提供高功率密度和高的能量转换效率，大约为40
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50%，而内燃机仅为20
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30%。此外，它还具有启动快速和良好的工作环境温度等优良特性，这对扩大其在清洁能源的实际应用中有很大帮助作用。
[0003]质子交换膜氢氧燃料电池在碱性条件下阴极氧还原反应的机理为：二电子过程：O2+2H2O +2e
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=2H2O2四电子过程：O2+2H2O+4e
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=4OH
‑
根据上述反应机理可以得出，二电子的阴极氧还原反应过程中会有过氧化物离子的产生，一定程度上会导致催化剂活性失活、设备被腐蚀和低工作效率，而四电子的阴极氧还原反应过程不仅不会产生过氧化物离子且具有较高的能量转换率。
[0004]如果想提高质子交换膜燃料电池的功率密度以及能量转换效率，就需要通过设计出更优良的电催化剂，以解决质子交换膜燃料电池中相对缓慢的阴极反应。然而，当前除非应用价格高昂的铂催化剂，否则转换效率缓慢会产生大量的能量损失，无法满足实际应用中的需求。因此，迫切需要研发出用于质子交换膜燃料电池阴极的非贵金属催化剂，以尽快解决高昂的成本问题，加快氢能源燃料电池的规模化应用。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种用于质子交换膜氢氧燃料电池阴极的非贵金属催化剂的制备方法，实现以下专利技术目的：制备一种非贵金属催化剂，降低生产成本，同时提高其氧还原反应活性、电催化的稳定性、甲醇耐受性。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采取以下技术方案：一种用于质子交换膜氢氧燃料电池阴极的非贵金属催化剂的制备方法，所述催化剂为CoNi@N
‑
GCNTs复合材料；所述制备方法包括制备三聚氰胺
‑
Co
2+
/Ni
2+
络合物前体、煅烧、酸浸；所述煅烧的方法为将三聚氰胺
‑
Co
2+
/Ni
2+
络合物前体在氮气的气氛下以1.8
‑
2.2℃每分钟的速率，升温至528
‑
532℃，并在528
‑
532℃下保持1.8
‑
2.2小时，之后再以4.8
‑
5.2
℃每分钟的速率升温至795
‑
805℃，并在795
‑
805℃下保持2.8
‑
3.2小时，冷却，收集得到黑色粉末。
[0007]所述酸浸的方法为将将黑色粉末分散在0.9
‑
1.1 摩尔每升的盐酸水溶液中，在48
‑
52℃条件下酸浸11.5
‑
12.5小时，经离心、洗涤、烘干、研磨得到CoNi@N
‑
GCNTs复合材料。
[0008]所述离心、洗涤、烘干、研磨的方法为：离心后，收集沉淀，用去离子水洗涤3次后，在58
‑
62℃下真空烘干9.8
‑
10.2h，然后手动研磨28
‑
32min。
[0009]所述制备三聚氰胺
‑
Co
2+
/Ni
2+
络合物前体的方法为六水合硝酸镍的乙醇溶液和六水合硝酸钴的乙醇溶液混合均匀后，缓慢加入三聚氰胺粉末，搅拌溶解后，再进行剧烈搅拌，得到灰白色浆料，然后干燥至乙醇挥发完全，再研磨成均匀的粉末，得到三聚氰胺
‑
Co
2+
/Ni
2+
络合物前体。
[0010]所述剧烈搅拌，转速为1750
‑
1850r/min ，时间为9.5
‑
10.5小时。
[0011]所述六水合硝酸镍和六水合硝酸钴的摩尔比为1:0.9
‑
1.1；所述六水合硝酸镍与三聚氰胺的摩尔比为0.58
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0.62:1。
[0012]所述六水合硝酸镍的乙醇溶液中，六水合硝酸镍与无水乙醇的质量体积比为0.03
‑
0.04g:1mL；所述六水合硝酸钴的乙醇溶液中，六水合硝酸钴与无水乙醇的质量比为0.03
‑
0.04g:1mL。
[0013]本专利技术制备的CoNi@N
‑
GCNTs复合材料，将钴镍合金纳米粒子封装在的碳纳米管中，这为电解质和电催化剂提供了足够多的有效接触面积，同时也暴露了更多的活性位点，而碳纳米管结构可以提供良好的电子传输路径，有利于质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应的进行。另外，氮掺杂碳纳米管相互聚集形成带孔的网络结构，这有利于提供额外多的电子迁移路径。本专利技术制备的催化剂，可以有效缓解和保护钴镍合金免受氧化、腐蚀和溶解，并且CoNi@N
‑
GCNTs复合材料具有更薄的碳包层，进一步加速了电荷转移，为获得稳定的电化学催化性能提供了有利基础；同时钴镍合金和氮掺杂碳纳米管具有强协同效应和电子效应，共同提高CoNi@N
‑
GCNTs复合材料电催化剂的高氧还原反应活性。
[0014]与现有技术相比，本专利技术取得以下有益效果：本专利技术以硝酸镍和硝酸钴两种金属盐作为金属前驱体，三聚氰胺作为碳源和氮源，制备得到氮掺杂碳纳米管支撑的钴镍双金属合金纳米颗粒的催化剂材料。该复合材料催化剂在碱性环境介质氧还原反应中表现出较高的催化活性、良好的长期耐久性。相比较现有的商业Pt/C催化剂，本专利技术制备的催化剂不含有贵金，降低生产成本，同时活性位点多，催化活性更高，长时间稳定性好，甲醇耐受性好，具有良好的催化性能。
[0015]本专利技术制备的CoNi@N
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GCNTs复合材料电催化剂，属于非贵金属催化剂，在碱性溶液中表现出优异的氧还原反应活性；本专利技术制备的CoNi@N
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GCNTs复合材料电催化剂，经过8小时长时间耐久性测试后，其相对电流密度保持在原始的98.3%，具有优异的电化学稳定性；本专利技术制备的CoNi@N
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GCNTs复合材料电催化剂，甲醇耐受性能好，在测试溶液中加入甲醇后，电流密度没有明显变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于质子交换膜氢氧燃料电池阴极的非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于：所述催化剂为CoNi@N
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GCNTs复合材料；所述制备方法包括制备三聚氰胺
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Co
2+
/Ni
2+
络合物前体、煅烧、酸浸；所述煅烧的方法为将三聚氰胺
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Co
2+
/Ni
2+
络合物前体在氮气的气氛下以1.8
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2.2℃每分钟的速率，升温至528
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532℃，并在528
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532℃下保持1.8
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2.2小时，之后再以4.8
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5.2℃每分钟的速率升温至795
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805℃，并在795
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805℃下保持2.8
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3.2小时，冷却，收集得到黑色粉末。2.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜氢氧燃料电池阴极的非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于：所述酸浸的方法为将将黑色粉末分散在0.9
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1.1 摩尔每升的盐酸水溶液中，在48
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52℃条件下酸浸11.5
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12.5小时，经离心、洗涤、烘干、研磨得到CoNi@N
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GCNTs复合材料。3.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：程终发，周荣奇，王宁宁，申义驰，王东海，王光远，任真真，华艳飞，姚娅，
申请(专利权)人：山东泰和科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：