[发明专利]一种过渡金属偏硼酸盐纳米双功能催化剂及制备方法

说明书

一种过渡金属偏硼酸盐纳米双功能催化剂，它的化学式为M(BO₂)₂(M＝Fe，Co，Ni)，其化学成分质量百分比为：过渡金属35～45％、硼10～20％、氧40～50％；上述过渡金属偏硼酸盐纳米双功能催化剂的制备方法主要是先通过溶剂热法使微纳米碳化硼和过渡金属盐形成复合物，待反应结束后静置洗涤干燥，将反应后得到的产物于氮气气氛中进行500～600℃的热处理即可得到过渡金属的偏硼酸盐纳米双功能催化剂。本发明工艺简单、容易操作、制备成本低且易于规模化生产，制备的催化剂是一种兼具催化氧还原反应和析氧反应的高催化活性的新型催化剂，可以替代价格昂贵且只有单催化活性的铂基和钌/铱基催化剂，应用于燃料电池阴极和金属空气电极正极。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，特别涉及一种电池催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂内的化学能通过电极反应直接转化成电能的电化学装置。由于其具有能量转换效率高、环境友好、噪声低、启动快等优点，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术之一，是继风力、水力和太阳能之后有希望大量提供电力的新能源技术。大力发展燃料电池技术对解决目前世界面临的“能源短缺”和“环境污染”这两大难题，实现能源多样化具有重要意义。经过多年的努力，燃料电池已经在电动汽车、家用热电联供系统、分散电站系统等领域成功地进行了示范运行。但由于成本高、稳定性和耐久性差等问题，严重阻碍了其产业化进程。

传统的燃料电池中普遍使用铂基催化剂作为催化氧还原反应的电催化剂，钌基和铱基催化剂则通常作为催化吸氧反应的催化剂。铂、钌和铱作为贵金属，其已探明储量非常低，价格昂贵，致使电催化剂的价格居高不下。除此之外，铂基催化剂在燃料电池运行中稳定性较差，特别是在阴极中高电势、高氧含量的环境下极易被杂质以及甲醇毒化，尚不能满足燃料电池实用化的要求。因此，开发价格低廉、高活性、高稳定性以及兼具两种催化能力的新型非贵金属催化剂成为目前燃料电池催化剂领域的新热点。

目前常见的兼具双功能催化性的电催化剂为钙钛矿型电催化剂和尖晶石型电催化剂等。如Dai Hongjie课题组研究了采用氧化石墨烯与碳纳米管作为基底负载Co₃O₄的双功能催化剂的催化性能。D.U.Lee等采用一步法制备NiCo₂O₄/石墨烯复合材料，研究其对ORR和OER的双功能催化活性。Fanliang Lu等研究了多孔球形钙钛矿型氧化物La_0.8Sr_0.2MnO₃在锂空气电池中的电催化性能。无论是钙钛矿型催化剂还是尖晶石型催化剂都存在因导电性差而导致的催化活性不高问题。中国专利CN201110315465.2采用含氮和/或硼有机前驱体、过渡金属盐和纳米碳为原料，通过微波辐射法以及后续热处理制备出一种燃料电池催化剂。此专利涉及硼源不包括碳化硼并且制备的催化剂仅限于催化氧还原反应。中国专利201110000141.X通过加热回流搅拌的方式制备出以导电陶瓷碳化硼为担体，担载不同种类贵金属的燃料电池催化剂。此专利中复合的金属种类为贵金属，与此同时导电碳化硼对金属只是简单的机械担载，并未与金属发生复合反应，也仅研究了对氧还原反应的电催化性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、条件温和、容易操作、制备成本低且易于规模化生产、催化活性高和稳定性良好的过渡金属偏硼酸盐纳米双功能催化剂及制备方法。本发明主要是通过水热法将过渡金属与微纳米碳化硼复合，并通过后续热处理，制备过应用于燃料电池和金属-空气电池的对氧还原反应和析氧反应兼具高催化活性的双功能催化剂。

本发明的过渡金属偏硼酸盐纳米双功能催化剂，它的化学式为M(BO₂)₂(M＝Fe，Co，Ni)，其化学成分质量百分比为：过渡金属35～45％、硼10～20％、氧40～50％(氧元素存在于偏硼酸根中，由过渡金属盐引入)。

上述过渡金属偏硼酸盐纳米双功能催化剂的制备方法：