[发明专利]一种用于燃料电池阴极电催化剂及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池催化剂，具体地说是一种掺杂型纳米碳电催化剂的制备及其应用，该催化剂可用作质子交换膜燃料电池（PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）阴极电催化剂。

背景技术

能源是国民经济发展和社会文明进步的基础，20世纪形成的以石油、天然气和煤炭等化石燃料为主体的能源系统，已无法满足未来社会对高效、清洁、经济、安全能源体系的要求，能源发展正面临前所未有的挑战。为了实现人类社会的可持续发展，多年来人们一直在努力寻找高效可靠且环境友好的能源利用方式。

聚合物膜燃料电池（PEFCs）包括质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）是以纯氢或净化重整气为燃料，而直接甲醇燃料电池（DMFC）等均是以全氟磺酸膜为电解质的一种燃料电池。由于他们具有可室温快速启动、比功率和比能量高等特点，所以在在固定式电站、电动汽车、军用特种电源和便携电源等领域具有广阔的应用前景。21世纪以来，PEMFC在关键材料、电池组和系统等方面取得长足进步。用于电动汽车动力系统的PEMFC已成功示范运行，正逐步向产业化迈进。DMFC由于其体积小、便携等特点，在便携式电源领域已成功示范运行。目前，在PEMFC和DMFC中广泛应用的催化剂为Pt/C催化剂。PEMFC的Pt用量一般为0.5g_PtkW^-1，而DMFC中催化剂的用量远远高于此数值，从而导致电催化剂的成本居高不下。同时，PEFCs均采用环境空气作为氧化剂，随着环境日趋恶化，空气质量严重下降，空气中杂质引起的催化剂中毒问题成为影响其耐久性的重要因素之。同时，DMFC由于甲醇容易从阳极渗透到阴极，引起阴极催化剂中毒，电池性能下降。。因此，开发低成本铂替代催化剂是目前PEMFC领域的研究重点之一。

多孔炭材料是一种具有一定孔隙结构的新型炭材料，由于其具有资源丰富、高比表面积、孔体积、高导电性及可设计的孔结构，因而广泛应用于电子工业、气体和液体的分离、医疗卫生等领域。研究表明，在半导体材料和碳等材料中进行微量元素（N、B等）掺杂或修饰，可以改变材料的物理、化学和热力学性质，从而使其具有优异的催化性能。研究表明，Ru/C催化剂在相对较低的电位下易被氧化为RuO_x，但当加入Se原子修饰之后，Ru和Se之间的化学键合作用制备的Ru_xSe_y催化剂可以抑制Ru原子的氧化，增强催化剂的氧还原活性和稳定性[V.Zaikovskii,K.Nagabhushana,V.Kriventsov,K.Loponov,S.Cherepanova,R.Kvon,H.D.Kochubey,E.Savinova.Synthesis and Structural Characterization of Se-Modified Carbon-Supported Ru Nanoparticles for the Oxygen Reduction Reaction.The Journal of Physical Chemistry B,2006(110):6881-6890.]。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池电催化剂及其制备和应用，为达到上述目的，采用的技术方案如下，

一种用于燃料电池阴极电催化剂，所述催化剂活性组分为具有多孔纳米结构的掺杂型催化剂，包含Se掺杂纳米碳或Se与氮共掺杂的纳米碳；其中的掺杂Se原子的总质量百分含量为0.1～10％；氮原子的总质量百分含量为0～10％；炭材料的比表面积为50-3000m²/g;炭材料总孔容为0.5-5cm³/g。

本发明以在高压条件下将炭前驱体与Se前驱体复合形成复合前驱体，然后将其在惰性气体和/或氨气气氛保护下高温炭化制备得到多孔结构的Se掺杂纳米炭或Se和氮共掺杂纳米碳催化剂。通过Se对纳米炭的修饰，在纳米炭中形成更多缺陷活性位，以提高纳米碳催化剂的催化活性。

包括以下步骤：

(1).将炭前驱体与溶剂按物质的量比为1:1～1:100的比例混合，加热(室温～95℃)搅拌，使其充分溶解，形成透明溶液A;

(2).将含有0.5mg/L-20mg/L Se的含Se前驱体与溶剂以物质的量比为1:1～1:100混合物得到B；

(3).将B加入到A中，继续搅拌，使之形成均匀分散,得到C；其中Se前驱体与炭前驱体的物质的量比为1:10～1:1000;优选比例为1:5～1:100；