[发明专利]用于硼氢化钠燃料电池的阳极催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硼氢化钠燃料电池的阳极催化剂的制备方法，特别涉及利用聚吡咯作为改性材料，以大孔碳为载体，利用水热法制备用于硼氢化钠燃料电池阳极催化剂的方法。

背景技术

燃料电池是高效率、低污染、多元化能源的新发电技术。燃料电池的发电系统，不但比传统石化燃料成本低，且有洁净、高效率的好处，更可结合核能、生物能、太阳能、风能等发电技术，将能源使用多元化、可再生化和持续使用。燃料电池使用醇类、天然气、氢气、硼氢化钠、肼等燃料转换成电流，借由外界输入的燃料为能量源，使其能持续产生电力，不需二次电池的充放电程序。充电时，只要清空充满副产品水的容器，然后再装进燃料(酒精等燃料)即可。燃料电池，简单的说就是一个发电机。燃料电池是火力、水力、核能外第四种发电方法。近几年来，由于燃料电池的技术获得创新突破，再加上环保问题与能源不足等多重压力相继到来，各国政府与汽车、电力、能源等产业非常重视燃料电池技术的发展。 

燃料电池（PEMFC）因其技术的日益成熟而应用广泛。但是由于PEMFC需要铂为催化剂，而铂资源的缺乏将对PEMFC的普及造成极大的障碍。燃料电池的回收虽然能部分解决铂资源问题，但燃料电池市场容量巨大，回收不能从根本上解决问题。因此开发非铂催化剂燃料电池技术对于燃料电池的应用与普及有着极其重要的意义。另一个制约燃料电池应用的因素是氢的储存。如燃料电池在电动汽车的应用，对车载储氢系统的重量与体积储氢密度提出了很高的要求（美国能源部目标：6 wt% H₂和60 kg H₂/m³），但目前还没有一项成熟的技术能够达到这个目标。

鉴于目前低温燃料电池系统所存在的这两个问题，直接硼氢化钠燃料电池（DBFC）直接以硼氢化钠（NaBH₄）碱性溶液为燃料，空气或双氧水为氧化剂，非铂金属或氧化物为正负极材料，离子交换膜为电解质，在常温常压下直接发电。该燃料电池系统同时解决铂的大量使用和氢的储存这两个PEMFC面临的难题。

硼氢化钠的氧化反应是一个8电子反应，即一个BH₄^-完全氧化成BO₂^-产生8个电子。而在实际电池中，在阳极催化剂表面氧化的BH₄^-通常转化的电子数低于8，其实际电化学反应途径如下所示：

其中x是一个BH₄^-参与反应后实际释放的电子数，又称为库仑数。其实际反应途径随着阳极催化剂、电极电位、燃料浓度和温度的变化而变化。关于NaBH₄的阳极氧化机理的研究结果表明，影响NaBH₄氧化反应库仑数的关键因素是所使用的阳极催化剂，即NaBH₄在不同的阳极催化剂表面的电化学反应途径不同，例如BOR在Pd表面反应的库仑数为6，Ni为4等。并且NaBH₄的水解反应也会产生氢气：

NaBH₄ + 2H₂O = NaBO₂ + 4H₂

氢气的产生不仅降低了燃料的利用率，还会阻碍燃料中NaBH₄的传质而加剧阳极极化。研究表明，通过电催化剂的设计和阳极结构调整可以氧化NaBH₄不完全氧化反应和水解反应产生的氢气，从而提高实际电池中阳极反应库仑数。目前DBFC的阳极催化剂的研究所面临的主要问题是：开发具有高的表观库仑数的阳极催化剂，以期望提高电池的输出功率。针对这个问题，近年来关于DBFC的阳极催化剂的研究已经广泛展开。研究表明：虽然Pt对于硼氢化钠电化学氧化的催化活性很高，但是在Pt的BOR库仑数会随着燃料的浓度变化而变化，变化范围为4~8。由于硼氢化钠电化学氧化反应的交换电流密度高，因此，采用非铂催化剂来取代Pt作为阳极催化剂是十分可行的。目前研究开发的非铂催化剂可分为以下三类：贵金属(Au、Pd和Os)，过渡金属(Ni、Ag和Cu)和储氢合金(AB₂和AB₅型储氢合金)。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于硼氢化钠燃料电池的阳极催化剂的制备方法。

为了解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于硼氢化钠燃料电池的阳极催化剂及其制备方法，包括以下步骤：