[发明专利]一种高效稳定的有机物电催化氧化催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高效稳定的有机物电催化氧化催化剂及其制备方法和应用，催化剂的分子式为H_aM_xR_yY_zN₃，其中所述M、R、Y为不同的过渡金属，N为氧、氮、碳、磷、硫中的一种元素，a值为0～1，x+y+z＝1且x、y、z中最多有一个数值为0。本申请制备的有机物电催化氧化催化剂能够避免贵金属的使用量，并且在能够重复利用燃料电池产生的废热来实现小分子的分解，提高燃料电池的综合利用效率。

技术领域

本发明属于催化剂领域，特别涉及一种高效稳定的有机物电催化氧化催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

氢能是21世纪最理想的绿色能源，具有清洁、高效的优质特点。以C、H、N、O小分子液态有机物作为燃料，可以避免氢燃料电池中氢气的储运及安全问题。燃料电池工作时，C、H、N、O小分子液态有机物由阳极流场板进入流道，随后经阳极扩散层进入阳极催化剂，在催化剂的作用下氧化释放出电子和质子，反应后的C、H、N、O小分子液态有机物由阳极排出。电子流经外电路做功，质子通过固体电解质膜传递到阴极。此时，氧气或空气通过阴极流场板进入流道，经过阴极扩散层进入阴极催化层，与阳极传递来的质子结合反应生成H₂O，同时消耗掉从外电路传递过来的电子。生成的H₂O以水蒸气或冷凝水的形式从阴极排出。目前C、H、N、O小分子有机物电催化氧化的催化剂主要是Pd、Pt、Ru、Rh等贵金属材料，价格昂贵且资源匮乏，因而开发低成本、高效能的C、H、N、O小分子有机物电催化氧化的催化剂成为能源、催化和材料领域的研究热点。

发明人程寒松教授及其团队通过长期的探索和研究，发现了一类过渡金属氧化物具有良好的加/脱氢性能，且循环寿命高，此类材料加氢后变成电子导体。电催化氧化原理与加氢脱氧(HDO)、加氢脱氮(HDN)和加氢脱硫(HDS)类似，因此此类材料完全可成为高效稳定的电催化氧化催化剂。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一类高效稳定的C、H、N、O小分子有机物电催化氧化催化剂，既二元、三元过渡金属氧、氮、碳、磷、硫化物，并提供上述催化剂的制备方法以及应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高效稳定的有机物电催化氧化催化剂，所述催化剂的分子式为H_aM_xR_yY_zN₃，其中所述M、R、Y为不同的过渡金属，N为氧、氮、碳、磷、硫中的一种元素，a值为0～1，x+y+z＝1且x、y、z中最多有一个数值为0。

进一步的，过渡金属为钒、铬、锰、钪、钛、锆、铌、钼、铑、铁、钴、镍、铜、锌、锇、钨、钽、铱。

一种有机物电催化氧化催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取两种或三种过渡金属酸铵盐与聚乙二醇搅拌混合，将混合溶液加热搅拌，搅拌后滴加10％的稀硝酸调节溶液pH至1～3；

(2)将混合液装进水热反应釜，进行水热反应；反应结束后，抽滤并用超纯水和乙醇洗涤反应物至中性，60℃充分干燥；

(3)将干燥物进行高温煅烧，煅烧时间控制1～5h，得到金属氧化物产物；

(4)将产物装入高温高压反应釜内，加热反应得到H_aM_xR_yY_zO₃；

(6)将产物H_aM_xR_yY_zO₃与NH₃、H₂/CH₄、NaH₂PO₂或硫粉在350～700℃高温煅烧2h，分别制得氮、碳、磷、硫化物。