[发明专利]碳负载铜酞菁燃料电池催化剂CuPc/C及制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂及其制备和应用领域，特别涉及一种碳负载铜酞菁燃料电池催化剂CuPc/C及制备和应用。

背景技术

燃料电池具有室温快速启动、无电解质流失、比功率和比能量高、低排放甚至“零”排放等优势，被公认为二十一世纪首选的高效和清洁的发电技术。其中以质子交换膜为电解质层的燃料电池称质子交换膜燃料电池(PEMFCs)。与其它燃料电池相比，PEMFCs可在室温下快速启动，并可按照负载要求快速改变输出功率，是最有发展前途的未来电动汽车、分散式电站、备用电源和便携式电器的理想替代电源。然而，由于其阳极和阴极有效催化剂均是以铂(Pt)系金属为主的贵金属催化剂，昂贵的价格和资源匮乏严重制约其商业化规模应用。研究表明：氧在阴极上的还原反应速率与pH值密切相关。与质子交换膜不同，当燃料电池在碱性条件下工作时，阳极上燃料(H₂、甲醇)的氧化和阴极上氧气(O₂)的还原反应都将变得更容易，而许多材料在碱性环境中的耐腐蚀性远优于其在酸性中的耐腐蚀性，因此可以使用价格低廉的催化剂代替昂贵的铂催化剂，从而可以大大降低燃料电池的制造成本。

自从1964年Jasinski首次报道了过渡金属大环化合物可以用作O₂电化学还原的催化以来[Nature 201，1212(1964)]，催化氧还原的非贵金属催化剂开始备受研究者的关注。具有高的共轭结构和化学稳定性的金属卟啉和酞菁(主要以中心离子为Fe和Co的配合物)，表现出了良好的电催化活性，特别是借以高温热解处理(600～900℃)，这些大环化合物的活性和稳定性得到很大改善[Energy Environ.Sci.，4，3167(2011)]，而其中过渡金属中心离子和含氮配体结构被认为是决定催化剂活性的关键因素[Electrochimica Acta 52，2562(2007)]，特别是以中心离子为Fe和Co的含氮有机金属大环化合物是研究最多且被认为最有希望替代铂基催化剂[Electrochimica Acta，53，4937(2008)]。然而，其结构和催化机理还没有完全明确，活性和稳定性与Pt相比还有一定的差距，特别是用于强酸性介质的质子交换膜燃料电池存在较高的活化极化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳负载铜酞菁燃料电池催化剂CuPc/C及制备和应用，该催化剂为非铂催化剂，该制备方法简单，容易操作、成本低，极大减少了对贵金属Pt的依赖，使其在碱性燃料电池以及锌-空电池和微生物燃料电池处理废水等领域具有良好的应用前景。

本发明的一种碳负载铜酞菁燃料电池催化剂CuPc/C，所述的燃料电池催化剂CuPc/C按质量比包括：0.01∶0.99～0.99∶0.01的碳材料和铜酞菁。

所述的燃料电池催化剂CuPc/C的组成为40-99％碳材料和1-60％铜酞菁。

所述碳材料为活性炭(Vlucan XC-72R，BP2000)(美国Carbot公司)、碳纳米管、纳米碳纤维、碳纳米笼、石墨烯或氧化石墨烯。

本发明的一种碳负载铜酞菁燃料电池催化剂CuPc/C制备方法，包括：

(1)将质量比为0.01∶0.99～0.99∶0.01的碳材料和铜酞菁溶于溶剂中，研磨至溶剂挥发完全，干燥，得催化剂前驱体；

(2)将上述前驱体在惰性气体气氛保护下以5～25℃/min升温至600～1100℃焙烧还原处理2～4h，得到碳负载铜酞菁燃料电池催化剂CuPc/C。

所述步骤(1)中的溶剂为水、甲醇、乙醇、氯仿或四氢呋喃。

所述步骤(2)中的惰性气体为氮气或氩气。

本发明的一种碳负载铜酞菁燃料电池催化剂CuPc/C的应用于制备燃料电池用膜电极结合体。

所述的制备燃料电池用膜电极结合体的具体步骤为：将碳负载铜酞菁燃料电池催化剂CuPc/C分散到异丙醇溶液中，超声后得到催化剂的墨水溶液；将所述的催化剂的墨水溶液转移到GC(玻碳)电极上，用甲醇和Nafion溶液(5wt％，美国Aldrich公司)的混合液做粘结剂，自然晾干即可。

所述的燃料电池为以甲醇、乙醇、丙醇、甘油或二甲醚为液体燃料的直接碱性燃料电池、氢-空(O₂)碱性燃料电池、锌-空电池或微生物燃料电池。

所述的混合液Nafion溶液和甲醇溶液的质量比为1∶5-1∶70。

所得到的燃料电池用膜电极结合体中催化剂的负载量为30μg-600μg/cm²。

有益效果