[发明专利]一种制备高性能碳基催化剂的方法

说明书

本发明涉及一种制备高性能碳基催化剂的方法，属于新能源材料技术领域。首先将苯胺与过渡金属盐配位制备得到悬浮液；然后将制备得到的悬浮液过滤得到滤饼，滤饼采用乙醇、水、丙酮、乙醚、甲醇、甲醛中的一种或几种任意比例的混合溶剂中浸泡15～120min清洗后再抽滤干燥研磨，获得纳米齿状聚苯胺金属配位聚合物；在气氛条件下，将得到的纳米齿状聚苯胺金属配位聚合物热处理制备出高性能碳基催化剂。本发明方法制备的非贵金属碳基催化剂，所用原料价格低廉、制备工艺简单、对设备要求低、适合于催化剂的规模化生产。

技术领域

本发明涉及一种制备高性能碳基催化剂的方法，属于新能源材料技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）因其功率密度高、环境污染小、运行温度低、启动时间短、系统结构简单等优点而被认为是理想的清洁能源转换装置。目前PEMFCs催化剂主要使用Pt基催化剂，但Pt资源稀缺，价格昂贵，成本问题是限制其商业化的主要原因，其中阴极的氧还原动力学活性缓慢，占用90%的铂基催化剂^[1]，使其成本居高不下，阻碍了PEMFCs的发展。因此，开发低成本、高ORR活性和稳定性的非贵金属碳基催化剂对推动PEMFCs商业化进程意义重大。

近年来，国内外的在阴极非贵金属催化剂研究方面取得了重要进展，其中2009年Jean-Pol Dodelet的课题组通过热解邻二氮杂菲、醋酸铁和碳黑的混合物，制备出的Fe/N/C催化剂具有目前文献报道中最高的质量活性（99A/cm³）^[2]。2011年《science》杂志报道了美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Wu Gang等人通过热解聚苯胺与铁盐和钴盐的混合物，得到一种活性和稳定性都较好的PINA/FeCo/C催化剂，其催化性能可以与铂相比拟^[3]。国内方面，有重庆大学的司玉军等人通过热解尿素、氯化钴和乙炔的混合物制得Co/N/C催化剂，得出在600℃下制备的Co/N/C催化剂有最好的活性^[4,5,6]。大连化学物理研究所的张华民课题组用等体积浸渍法制得碳载含磷和钴的非贵金属催化剂，虽然这种催化剂的活性不高，当催化剂的负载量1.13mg/cm²时最大输出功率密度为57.3mW/cm²，可以在工作电压下稳定工作50个小时，他们认为P元素的引入大幅度提高了催化剂的稳定性^[7]。

在众多的非贵金属催化剂中，氮掺杂碳基催化剂因其催化效率高、稳定性良好和成本低，在燃料电池技术领域拥有巨大潜力。氮掺杂碳基催化剂主要通过热处理氮源前驱体、碳源和过渡金属盐的混合物而获得。目前，主要是采用机械混合和浸渍的方法，将过渡金属加入到氮源前驱体中，再热处理制备出非贵金属碳基催化剂，但这两种方法均不能使过渡金属均匀的分布在前驱体中，从而影响热解过程中ORR活性位的产生。聚苯胺（PANI）以其独特的掺杂特性、微观结构可控、廉价易得等优点，可作为氮掺杂碳基催化剂的氮源前驱体。近年来我们通过热解聚苯胺-铁配位聚合物制备氮掺杂碳基催化剂^[8]，但由于聚苯胺铁配位聚合物颗粒主要是由微米级的片状物组成，致使其比表面积小，影响热解后碳基催化剂的活性。

参考文献

[1] F. Jaouen et al., Energy & Environmental Science 4 (2011).

[2] M. Lefevre et al., Science 324 (2009).

[3] G. Wu et al., Science 332 (2011).

[4] Y. J. Si et al., Chinese Chemical Letters 21 (2010).

[5] Y. J. Si et al., Chinese Journal of Chemical Physics 23 (2010).