[发明专利]碳纳米管基燃料电池催化剂的制备方法及应用

说明书

一种碳纳米管基燃料电池催化剂的制备方法，包括以下步骤：提供一含氮碳源以及一非贵金属盐，所述非贵金属盐至少包含铁盐；混合所述含氮碳源以及所述非贵金属盐，得到复合前驱体；将所述复合前驱体在保护气氛中进行热处理；将所述热处理后的复合前驱体在氨气气氛中进行氨气处理，得到碳纳米管基燃料电池催化剂。通过本制备方法制备的碳纳米管基燃料电池催化剂能够实现多层次结构调控，可调控的结构包括孔结构、石墨化程度、活性位点等；所述碳纳米管基燃料电池催化剂在不同pH条件下均表现出色的氧还原性能，尤其在碱性条件下同时表现出极高的稳定性；另外，该催化剂所用的合成原料来源丰富、成本低廉，符合商业化生产对“低成本”的要求。

技术领域

本发明涉及储能领域，尤其涉及一种碳纳米管基燃料电池催化剂的制备方法及应用。

背景技术

储能领域中，燃料电池是一种直接将物质的化学能转化为电能的能量转换装置。催化剂作为燃料电池的重要组成部分，目前催化剂的制备成本、电化学反应活性以及稳定性是实现燃料电池商业化最大的障碍。目前Pt等贵金属材料为燃料电池中应用最为广泛的催化剂材料，由于其资源有限、价格高昂，限制了燃料电池的可持续发展。为彻底解决催化剂的成本及可持续发展问题，必须开发一种高效、廉价且稳定的氧还原电催化剂用于燃料电池以降低燃料电池的生产成本。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种高效且制备成本较低的碳纳米管基燃料电池催化剂的制备方法，以解决上述问题。

另，还有必要提供一种由上述制备方法制得的碳纳米管基燃料电池催化剂。

另，还有必要提供一种包括所述碳纳米管基燃料电池催化剂的催化层以及燃料电池。

一种碳纳米管基燃料电池催化剂的制备方法，包括以下步骤：

提供一含氮碳源以及一非贵金属盐，所述非贵金属盐至少包含铁盐，所述含氮碳源为固态有机含氮树脂，所述含氮碳源包括三聚氰胺甲醛树脂和三聚氰胺酚醛树脂中的一种或多种；

混合所述含氮碳源以及所述非贵金属盐，得到复合前驱体；

将所述复合前驱体在保护气氛中进行热处理；以及

将所述热处理后的复合前驱体在氨气气氛中进行氨气处理，得到所述碳纳米管基燃料电池催化剂。

进一步地，所述热处理包括第一阶段热处理和第二阶段热处理，所述第一阶段热处理的温度为450-600℃，所述第二阶段热处理的温度为850-1100℃。

进一步地，所述氨气处理的温度为850-1100℃。

进一步地，在所述氨气处理后还包括将氨气气氛换成保护气氛后自然冷却的步骤，所述热处理的保护气氛以及所述冷却的保护气氛均包括氩气或氮气。

进一步地，所述非贵金属盐至少包括铁盐，还同时包括锰盐、钴盐以及镍盐中的一种或多种。

进一步地，所述铁盐包括六水合三氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁、硝酸铁、乙酰丙酮铁、醋酸铁以及草酸铁中的至少一种。

一种碳纳米管基燃料电池催化剂的制备方法的应用，所制备的碳纳米管基燃料电池催化剂包含碳纳米管及碳纳米管上的氮元素、非贵金属元素，所述碳纳米管中的碳元素、氮元素与非贵金属元素的摩尔占比分别为碳元素>80％，氮元素<10％，非贵金属元素<10％，所述非贵金属元素为一种或多种，所述非贵金属元素至少包含铁元素。

进一步地，所述非贵金属元素还包括锰、钴、镍元素中的一种或多种。

一种碳纳米管基燃料电池催化剂的制备方法的应用，所制备的碳纳米管基燃料电池催化剂应用于组装成一种催化层，所述催化层包含所述碳纳米管基燃料电池催化剂与有机聚合物质子导体，所述碳纳米管基燃料电池催化剂与有机聚合物质子导体相互混合。