本发明专利技术涉及一种碳载多金属聚吡咯类氧还原催化剂及其制备方法，采用一种或一种以上的其他金属部分取代现有的碳载单金属聚吡咯类氧还原催化剂Co-PPy/C或Fe-PPy/C中的金属Co或Fe，得到含有两种或两种以上金属的碳载多金属聚吡咯类氧还原催化剂。其中，金属的总重量占催化剂重量的0.01-30％，各种金属的重量占催化剂中金属总重量的1-99％，催化剂中碳和聚吡咯的重量比为1000∶1-1∶1。与现有技术相比，本发明专利技术具有催化效果好等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池领域的催化剂研究，具体涉及一种质子交换膜燃料电池用碳载多金属聚吡咯类氧还原催化剂及其制备方法。
技术介绍
能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明，人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必须首先转变成热能，然后再转变成机械能或电能来使用，这个过程由于受到卡诺循环的限制，实际的能量利用效率只有30%左右，一半以上的能量白白地损失掉了 ；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。为此，人类多年来一直在努力寻找既有较高的能量利用效率又不污染环境的能源利用方式，燃料电池因此应运而生。它是一种将存·储于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，由于不受卡诺循环的限制，其实际能量转化效率达到80%以上。此外，相比于传统的能源利用方式，燃料电池还具有污染少、应用范围广、负荷响应快、运行质量高等一系列的优点，因而受到广泛关注。作为燃料电池大家族中的一员，质子交换膜燃料电池(PEMFC)在原理上相当于水电解的“逆”装置，其单电池主要由阳极、阴极和质子交换膜组成。其中，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂发生还原的场所，两个电极都含有加速电极过程电化学反应的催化剂。作为一种清洁、高效的绿色环保能源，由于其居高不下的生产成本，PEMFC迄今仍未得到大规模的推广应用。其中，催化剂昂贵的价格是导致PEMFC高成本的主要因素之一。在PEMFC中，阴极氧还原过程动力学由于比阳极氢氧化过程动力学慢得多而成为限制其工作性能的一个重要因素，因而高效阴极催化剂的开发已成为发展PEMFC的重要课题。目前，国际上公认的性能最好的PEMFC阴极催化剂为贵金属钼或钼合金催化剂，但钼在自然界中有限的资源和昂贵的价格大大限制了其在PEMFC中的实际应用，因而阻碍了 PEMFC的大规模推广。因此，开发低成本、高性能的非贵金属氧还原催化剂已成为国际社会在PEMFC领域竞相关注的研究热点。在众多被研究过的非贵金属氧还原催化剂中，M-N/C类催化剂(M表示非贵金属，N表示氮，C表示碳)由于其出众的性能而备受关注，被认为是最有希望取代贵金属钼而应用于PEMFC阴极的新型催化剂。作为M-N/C类催化剂中的一员，碳载金属聚吡咯(PPy)类氧还原催化剂(M-PPy/C)由于其中PPy独特的金属/半导体性质、高的导电性、强的环境适应性和容易制备等特点而近年来颇受关注，国际学术界已对其进行了大量的研究工作。比如Yuasa等在碳材料表面通过电化学聚合吡咯的方法包覆PPy后，将其分散在醋酸钴的甲醇溶液中以在表面吸附钴离子，然后经真空条件下700°C热处理制得了具有氧还原催化活性的 Co-PPy/C 催化剂(Chemistry of Materials 2005，17，4278-4281)。Bashyam 等通过化学聚合的方法制备了表面PPy修饰的碳材料，其在硝酸钴的水溶液中充分分散并吸附钴离子后经硼氢化钠还原制得的催化剂Co-PPy/C不仅表现出高的氧还原催化活性，而且具有良好的稳定性(Nature 443,2006,63-66)。Lee等在Bashyam等方法的基础上结合后续的氮气氛高温热处理制得了性能优异的氧还原催化剂Co-PPy/C，并提出高温热处理对改善Co-PPy/C的氧还原催化性能有非常重要的促进作用(Electrochimica Acta 2009,54,4704-4711)。Yuan等通过化学聚合的方法制备了表面PPy修饰的碳材料，将其在醋酸钴的水溶液中充分分散以在表面吸附钴离子后，经氮气氛下高温处理制得的Co-PPy/C催化剂的性能比以往报道的结果有明显的提高；他们以对甲苯磺酸(TsOH)作为吡咯聚合的掺杂剂时，更是将Co-PPy/C类催化剂的氧还原催化性能提高到了一个全新的水平(Journalof the American Chemical Society 2010,132 (6) :1754-1755)。Thanh 等还研究了碳载体和吡咯的重量比、金属钴和吡咯的摩尔比对催化剂Co PPy/C的氧还原催化性能的影响(Applied Catalysis B !Environmental 2011,105,50-60)。除了 Co-PPy/C 之外，也有些文献报道了关于Fe-PPy/C作为PEMFC中氧还原催化剂的研究工作。比如Liu等通过硅胶模板结合超声喷雾裂解的方法制备了聚吡咯自负载的催化剂FePPy-MS，并将其氧还原催化性能与通过化学聚合PPy碳表面修饰、铁氰化钾溶液中分散吸附、高温热处理等步骤制备的催化剂FePPy-XC的性能进行了比较，发现前者具有更高的氧还原催化活性(Journal ofMaterials Chemistry 2009,19,468-470) Wu等采用化学聚合PPy碳表面修饰、氯化铁溶·液中分散吸附、高温热处理等步骤制备的催化剂Fe-PPy/C在PEMFC中虽然表现出较好的初始性能，但稳定性极差(ECSTransactions 2009，25，1299-1311)。总之，国际上对碳载金属聚吡咯类氧还原催化剂M-PPy/C的研究目前主要集中在Co-PPy/C和Fe-PPy/C两个方面，关于由两种或两种以上的金属制备的多金属的M-PPy/C类催化剂的研究尚未见报道。迄今，以Co-PPy/C和Fe-PPy/C为代表的碳载金属聚吡咯类氧还原催化剂的性能虽已取得了长足的进步，但离实际应用仍差距甚远，国际学术界仍需发展有效的手段来改善其氧还原催化性能，从而促进其在PEMFC中的真正应用。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对碳载金属聚吡咯类氧还原催化剂M-PPy/C目前仍存在的性能需要进一步提高的问题，提供一种催化活性更好的碳载多金属聚吡咯类氧还原催化剂及其制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现一种碳载多金属聚吡咯类氧还原催化剂，其特征在于，采用一种或一种以上的其他金属部分取代现有的碳载单金属聚吡咯类氧还原催化剂Co-PPy/C或Fe-PPy/C中的金属Co或Fe，得到含有两种或两种以上金属的碳载多金属聚吡咯类氧还原催化剂。其中，金属的总重量占催化剂重量的0.01-30%，各种金属的重量占催化剂中金属总重量的1_99%，催化剂中碳和聚吡咯的重量比为1000 1-1 I。所述的其他金属选自不同于待取代的Co-PPy/C或Fe-PPy/C中的金属Co或Fe的铁、钴、镍、铜、锌、锰、铬、钒、钛、锆、钥和银中的一种或多种。所述的碳材料为炭黑、碳纤维、碳纳米管、炭气凝胶、石墨烯或其混合物。一种碳载多金属聚吡咯类氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，该方法为两步合成法，具体包括以下步骤(1)将两种或两种以上金属的前驱体溶于溶剂中，充分搅拌后加入碳材料，分散均匀后加入吡咯，搅拌均匀后加入氧化剂，然后在搅拌的条件下聚合反应0. l-8h，反应完毕后蒸干溶剂；(2)将第一步所得产物转移至氮气或氩气保护的300-1200°C的高温环境中热处理0. I-IOh即制得目标催化剂。该过程中使用的吡咯与氧化剂的摩尔比为20 1-1 15，吡咯的毫摩尔数本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种碳载多金属聚吡咯类氧还原催化剂，其特征在于，采用一种或一种以上的其他金属部分取代现有的碳载单金属聚吡咯类氧还原催化剂Co？PPy/C或Fe？PPy/C中的金属Co或Fe，得到含有两种或两种以上金属的碳载多金属聚吡咯类氧还原催化剂。其中，金属的总重量占催化剂重量的0.01？30％，各种金属的重量占催化剂中金属总重量的1？99％，催化剂中碳和聚吡咯的重量比为1000∶1？1∶1。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孔海川，原鲜霞，殷洁炜，马紫峰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。