[发明专利]一种燃料电池催化剂及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池用非贵金属催化剂领域，特别涉及一种碳负载N，N’-二水杨醛乙二胺钴(Co-salen/C)燃料电池催化剂及其制备方法和应用。 

背景技术

燃料电池是一种将存在于燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，具有能量转换效率高、室温快速启动、环境友好等优势，在军事、空间、发电厂、机动车、移动设备、居民家庭等领域有着广泛的应用。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。 

然而燃料电池在其商业化道路上遇到很多制约，关键原因在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，Pt价格昂贵资源匮乏严重制约其商业化规模应用。因此，降低燃料电池中Pt的负载量和发展非贵金属催化剂成为目前的关注热点和低温燃料电池催化剂研究的主要方向。从短期来看，降低Pt载量是可行的，然而从长远角度来说，寻找可以替代Pt的非贵金属催化剂则是更好的选择。当燃料电池在碱性介质(OH^-)条件下操作时可以避免质子交换膜燃料电池所具有的诸多缺陷和不足。碱性条件下，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，许多材料在碱性环境中的耐腐蚀性远优于其在酸性介质中，因而可以采用价格低廉的的非Pt电催化剂如Ag，Ni，Co，Fe，MnO2等来代替昂贵的Pt催化剂，从而大大降低燃料电池的制造成本。 

目前，燃料电池用非贵金属催化剂的研究主要集中于过渡金属氧化物、硫化物、过渡金属羰基化合物和过渡金属大环化合物等[Electrochim.Acta，41(1996)1689；J.Electrochem Soc，141(1994)41；Int J Hydrogen Energy，25(2000)255]。而高温热处理的碳负载过渡金属N掺杂材料被认为是最有希望的氧还原催化剂，其中一些已经表现出了接近甚至高于商业化Pt/C催化剂的氧还原活性[Energy  Environ.Sci.，4，3167(2011)]。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[Electrochim.Acta52，2562(2007)]。 

中国专利CN10657921A报道的一种以纳米碳颗粒负载含氮芳族化合物与过渡金属复合物，以及中国专利CN102021677A报道的含过渡金属和氮元素的纳米碳纤维等，都形成了过渡金属与氮的配位化合物，从而表现出很好的氧还原活性。然而，目前碳负载过渡金属与N掺杂催化剂的结构和催化机理尚不十分明确，其活性与Pt催化剂相比也还有一定差距。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳负载N，N’-二水杨醛乙二胺钴(Co-salen/C)燃料电池催化剂及其制备方法和应用，该催化剂为非铂催化剂，可以显著的降低燃料电池的成本；制备方法简单，容易操作、成本低，适合于工业化生产，具有良好的应用前景。 

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池催化剂，其特征在于，采用包括碳材料和活性组份的原料制成，其中，所述的活性组分为N，N’-二水杨醛乙二胺和过渡金属盐；所述的N，N’-二水杨醛乙二胺和过渡金属盐中的过渡金属的质量比为1：1～1：0.015；碳材料的重量与活性组分中N，N’-二水杨醛乙二胺和过渡金属盐中的过渡金属的重量之和的比例为40-90：10-60。 

优选地，所述的碳材料为Vulcan XC-72、BP2000、碳纳米管、碳纳米笼、纳米碳纤维以及石墨烯中的至少一种。 

优选地，所述的过渡金属盐为质量比为1：0～1：1的钴盐和其它过渡金属盐。 

更优选地，所述钴盐为硫酸钴、硝酸钴、氯化钴、乙酸钴或乙酸乙脂钴。 

更优选地，所述其它过渡金属盐为钒酸铵、钼酸胺、钨酸钠或硝酸铈。 

本发明还提供了上述的燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，具体步骤为： 

第一步：按比例将碳材料和活性组分置于研钵中，加入溶剂，充分研磨至溶剂挥发完全，真空干燥得到催化剂前驱体； 

第二步：将第一步所得的催化剂前驱体在惰性气体气氛保护下以20℃/min速度升温600～1000℃下焙烧2～4h，即得燃料电池催化剂。