[发明专利]一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂及制备方法

说明书

本发明提供了一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂及制备方法，其中，制备方法包括：首先，将蛋白质加入到去离子水中，搅拌30~60分钟，得到均匀的蛋白质溶液；然后，向上述蛋白质溶液中加入导电炭黑和过渡金属盐，搅拌均匀后于120~240℃环境下，分多段加热至溶剂蒸干，得到固体混合物；之后，在惰性气氛保护下，将上述固体混合物在700~1100℃炭化1~3小时，得到炭化产物；最后，将上述炭化产物研磨后过筛，得到氧还原催化剂。该方法以蛋白质为原料制备氧还原催化剂，不仅成本低廉、环境友好，而且催化性能较好，与贵金属Pt催化剂的极限电流接近，有利于推广应用。

技术领域

本发明涉及化工领域，尤其涉及一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂及制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池作为燃料电池的代表，能够有效地将化学能转化为电能，因具能量转换效率高，功率密度高，启动快，零排放等特点，被认为是应用前景较好的移动能源装置。但是，质子交换膜燃料电池尚未广泛应用，原因在于，其工作过程中，需使用大量的Pt基催化剂，才能完成氧还原反应。而Pt基氧还原反应催化剂的成本高、活性低和耐久性不足，限制了质子交换膜燃料电池的进一步发展和推广应用。因此，研究制备出活性和稳定性高的非贵金属氧气还原反应催化剂对于质子交换膜燃料电池的商业化应用是至关重要的。

对于非贵金属催化剂的制备材料，人们的研究重点逐渐由昂贵的或有化学危害的高分子聚合物转向可再生生物质，主要体现在含氮前驱体的选择上。中国专利CN103801342A公开了一种利用动物骨头制备多空材料的方法，并应用于制备燃料电池电极催化剂，取得一定的氧还原反应性能，但是远远不能达到商业化应用的要求。然而，动物骨头不仅物理组成和化学结构复杂，合成工艺难以控制，对于催化活性的形成机理研究较为困难，不利于成本低、活性高和耐久性好，适合与商业化应用的氧气还原反应催化剂的研发。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂及制备方法，旨在解决现有的氧气还原反应催化剂的成本高、活性低和耐久性不足的问题。

本发明的技术方案如下：

一种以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，包括：

步骤A、将蛋白质加入到去离子水中，搅拌30~60分钟，得到均匀的蛋白质溶液；

步骤B、向上述蛋白质溶液中加入导电炭黑和过渡金属盐溶液，搅拌均匀后于120~240℃环境下，分多段加热至溶剂蒸干，得到固体混合物；其中，导电炭黑与蛋白质的质量比为0.5~1，过渡金属盐中的金属离子与蛋白质的质量比为0.05~0.2；

步骤C、在惰性气氛保护下，将上述固体混合物在700~1100℃炭化1~3小时，得到炭化产物；

步骤D、将上述炭化产物研磨后过筛，得到氧还原催化剂。

所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，所述步骤B中搅拌过程为磁力搅拌6~12h。

所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，所述步骤B中，每段加热时间为9~24小时。

所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，所述步骤B中分三段加热，第一段加热温度为120℃、第二加热段温度为180℃、第三段加热温度为240℃。

所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，步骤C中炭化温度为900~1000 ℃。

所述的以蛋白质为原料的燃料电池氧还原催化剂的制备方法，其中，在氮气或氩气保护下进行炭化。