[发明专利]双功能催化剂硅藻土限域钴铂基复合材料的制备及其在电催化氧还原和析氧反应中的应用

说明书

技术领域

本发明制备的限域钴铂合金纳米材料应用于电催化氧还原和析氧反应，属于新能源材料领域。具体涉及到纳米催化剂的制备，以及在金属-空气电池和质子交换膜燃料电池中的应用。

背景技术

新型能量转换和存储设备是解决当前能源与环境问题的有效途径，燃料电池具有能量转化效率高，环境友好，携带方便等特点受到社会的广泛关注。质子交换膜燃料电池具有清洁无污染、工作温度低、启动快、结构简单及操作方便等优点，既可应用于大型发电厂，也可应用于人们日常生活中的手机、笔记本电脑和电动汽车等电源设备。其阳极发生氢燃料的氧化，阴极发生氧气的还原，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，然而阴极反应速率低，是制约燃料电池商业化发展的主要瓶颈。目前阴极氧还原催化剂主要是铂基贵金属材料，然而其活性和稳定性都不能满足燃料电池发展的需要，此外铂为贵金属，地壳含量有限，成本也很高。因此提高铂基催化剂的活性和稳定性，降低铂的使用量，是研究阴极氧还原催化剂的主要方向。金属空气电池是燃料电池的一种，其反应方程为；负极：M-xe^-＝M^x+；正极：O₂-xe^-＝x/2O^2-(方程1)

由反应方程(1)可知，金属空气电池负极金属失去电子，正极上O₂得到电子。负极材料一般为金属Zn、Al等地壳含量高的元素，众所周知，Zn、Al金属单质的制备技术已经成熟，而且Zn、Al等金属在电解液很容易失去电子，因此负极材料不是制约金属空气电池发展的主要因素。相反，正极端O₂的还原要比Zn、Al金属的氧化困难很多，需要有催化剂辅助，而且O₂在电解液中的浓度越高，电池的性能就越优。这就要求负极材料具备两个基本性能：(1)催化氧气还原的性能；(2)催化电解液产氧的性能。目前的金属-空气电池正极材料价格昂贵，制造工艺繁琐，催化稳定性差，制约了金属-空气电池的商业化发展。所以，廉价、高效以及制备工艺简单的双功能催化剂是推进金属空气电池进一步发展的关键。

Pt基贵金属与过渡金属M(M＝Fe、Co、Ni、Mn、Cu等)组成的合金纳米材料在氧还原性能方面有了很大的改进，然而其性能衰减太快，影响了燃料电池的商业化使用。采用硅藻土限域的合金纳米粒子可以在一定程度上抑制了催化剂活性的衰减，提升了催化剂的长期稳定性。

析氧催化剂目前以RuO₂和IrO₂贵金属氧化物和Fe、Co、Ni等过渡金属氧化物以及过渡金属氢氧化物和碳材料为主，然而RuO₂和IrO₂贵金属氧化物价格昂贵且稳定性差，过渡金属氧化物及氢氧化物和碳材料虽然降低了成本，但是其性能和稳定性还是不能满足金属-空气电池发展的需要。PtCo-x/DTM-C具有良好的氧还原和析氧催化活性，而且Pt含量低，DTM资源丰富，成本低廉，在金属-空气电池的发展方面具有良好的应用前景。

燃料电池阴极催化剂一般是铂基贵金属材料，该催化剂制造成本高而且使用量大。因此阴极催化剂的成本是燃料电池价格高昂主要因素。PtCo-x/DTM-C催化剂Pt含量低、采用了硅藻土对金属纳米粒子的限域保护，其活性和稳定性有了改善，而且合成条件温和方法简单，具有工业化生产的前景。

本发明采用双功能催化剂硅藻土限域钴铂基复合材料的制备及其在电催化氧还原和析氧反应中的应用，尚未有公开的文献或专利报道。

发明内容

双功能催化剂硅藻土限域钴铂基复合材料的制备方法，并将其用于电催化氧还原和析氧反应中。

本发明是通过以下技术方案实现的，具体包括以下几个步骤：

(1)将硅藻土分散到40mL 3mol L^-1的HCl溶液中，充分搅拌12h，然后抽滤，用去离子水洗涤至滤液pH～7，将滤饼在真空烘箱中50℃干燥，产物标记为DTM备用。

(2)控制Co和Pt的摩尔比为Co/Pt＝1、Co/Pt＝3和Co/Pt＝9，将Co和Pt的前驱体盐CoCl₂·6H₂O和H₂PtCl₆·6H₂O添加到20mL EG溶液中，待前驱体盐完全溶解后加入76mg DTM，磁力搅拌30min后，开始从室温加热到160℃保持6h。