[发明专利]一种自掺氮载钯多孔复合结构氧还原催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种自掺氮载钯多孔复合结构氧还原催化剂及其制备方法和应用。将聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、有机溶剂、氧化石墨烯和钯盐配成纺丝溶液进行静电纺丝，所得原丝依次进行预氧化、碳化和还原处理，即得具有比表面积大、富含介孔结构、形貌均一等特点的自掺氮载钯多孔复合结构氧还原催化剂，该催化剂作为阴极氧还原催化剂用于质子交换膜燃料电池，表现出催化活性高、碱性条件下稳定性高等特点，且该催化剂的制备过程简单、成本低，制备过程无需额外添加造孔剂及掺氮试剂，简化了工艺步骤，降低了生产成本。

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极氧还原催化剂，具体涉及一种自掺氮载钯多孔复合结构氧还原催化剂，还涉及其制备方法和在质子交换膜燃料电池中的应用，属于质子交换膜燃料电池电极材料技术领域。

背景技术

鉴于能源的高需求和环境污染，绿色和可持续能源是社会普遍追求的目标。质子交换膜燃料电池等可再生、无污染的能源技术受到了很多研究者的重视和研究。然而其商业化受到了其阴极催化剂缓慢动力学的制约。因此制备高催化活性、高稳定性的阴极氧还原催化剂成为了关键。

在质子交换膜燃料电池阴极催化剂中，使用载体可以有效地防止贵金属颗粒团聚、长大和脱落，提高贵金属纳米颗粒的利用率和催化活性。载体的性质在高性能多相催化反应中起着重要作用，包括导电性、比表面积、形貌、孔隙率和耐腐蚀性能等，因此载体的选择对于质子交换膜燃料电池催化剂材料来说是非常重要的。碳纳米纤维是一种广泛应用的催化剂碳载体。目前，静电纺丝技术已被熟练应用于制备碳纳米纤维，然而传统的碳纳米纤维存在比表面积低、吸附能力低等缺点，通常需要额外添加造孔剂(如PMMA等)的方式来获得多孔碳纳米纤维，但是会引入杂质，增加工艺难度。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种具有比表面积大、富含介孔结构、形貌均一等特点的自掺氮载钯多孔复合结构氧还原催化剂，该催化剂的催化活性高，贵金属催化活性物质的利用率高。

本发明的第二个目的是在于提供一种步骤简单、成本低的制备自掺氮载钯多孔复合结构氧还原催化剂的方法，该方法无需额外添加造孔剂及掺氮试剂，简化了工艺步骤，降低了生产成本。

本发明的第三个目的是在于提供一种自掺氮载钯多孔复合结构氧还原催化剂的在质子交换膜燃料电池中的应用，将其作为质子交换膜燃料电池阴极氧还原催化剂，表现出催化活性高、碱性条件下稳定性高等特点。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种自掺氮载钯多孔复合结构氧还原催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)将聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯腈溶于有机溶剂后，再加入氧化石墨烯和钯盐，混合均匀，得到静电纺丝前驱体溶液；

2)将静电纺丝前驱体溶液进行静电纺丝，得到原丝；

3)所述原丝依次进行预氧化处理、碳化处理和还原处理，即得。