[发明专利]一种多维孔道结构的合金催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种多维孔道结构的合金催化剂及其制备方法和用途，所述方法以聚合物粉末和过渡金属盐为原料，经纺丝后得到一维材料作为基底，之后经碳化、化学浴沉积和融合，得到所述合金催化剂，所述合金催化剂表面均匀分布贵金属与过渡金属形成的合金纳米粒子，且其载体为具有丰富孔道的一维纳米碳材料；贵金属为Pt时，30000圈加速耐久后，本发明所述方法制备得到的合金催化剂的电化学活性面积可达商业化铂碳催化剂的3.5倍以上，且其具有高的稳定性，将其组装单电池进行测试，在75℃、湿度为60％RH的条件下，其开路电压可达1.03V，电流密度可达3400mA/cm²@0.65V，峰值功率可达2.2W/cm²。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，涉及一种多维孔道结构的合金催化剂及其制备方法和用途。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFCs)具有能量转换效率高、低温快速启动、低噪音、无污染等特点，被认为十分适合作为绿色新能源汽车的动力能源。质子交换膜燃料电池由催化剂、质子交换膜、气体扩散层及双极板组成。其工作原理是氢气在阳极分离出质子和电子，质子经过质子交换膜到阴极，而电子则通过外电路到达阴极，当电子到达阴极时，与质子以及通入的O₂在阴极催化剂的作用下结合而生成水，具体电极反应为：

阳极:H₂→2H⁺+2e^-；

阴极:1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O；

总反应式为:H₂+1/2O₂→H₂O；

由于质子交换膜燃料电池使用的燃料为氢气和空气，产物为水，因此，燃料电池技术被认为是新能源发展的终极目标。燃料电池工作的环境温度为40-95℃，因此，需要采用高活性的贵金属Pt作为催化剂活性组分。但由于Pt金属存储量少、价格昂贵、易毒化等特点，因此，开发高活性、高耐久的低铂催化剂是目前的研究重点。

目前，质子交换膜燃料电池常用的Pt/C催化剂中，阳极一侧Pt载量一般需要0.05-0.1mg/cm²就可以满足燃料电池的需要，而阴极一侧Pt载量则需要0.15-0.30mg/cm²；Pt/C催化剂在燃料电池电堆中所占的成本比例为35％-50％。

因此，提升Pt基催化剂性能、降低阴极氧还原催化剂用铂量，提升材料催化活性对于降低PEMFCs的成本及推广使用具有至关重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多维孔道结构的合金催化剂及其制备方法和用途，所述方法以聚合物粉末和过渡金属盐为原料，经纺丝后得到一维材料作为基底，之后经碳化、化学浴沉积和融合，得到所述多维孔道结构的合金催化剂，所述合金催化剂表面均匀分布贵金属与过渡金属的合金纳米粒子，且其载体为具有丰富孔道的一维纳米碳材料，贵金属为Pt时，30000圈加速耐久测试后，本发明所述方法制备得到的合金催化剂的电化学活性面积是商业化铂碳催化剂的3.5倍以上，且其具有高的稳定性，将其组装单电池进行测试，在75℃、湿度为60％RH下，其开路电压可达1.03V，电流密度可达3400mA/cm²@0.65V，峰值功率可达2.2W/cm²；适合应用于城间物流车和城市大巴车。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种多维孔道结构的合金催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将聚合物粉末、溶剂和过渡金属盐混合，之后经纺丝，碳化，得到过渡金属粒子和碳纤维的复合材料；