[发明专利]一种直接甲醇燃料电池催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，尤其涉及一种直接甲醇燃料电池及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种能量转换装置，能够通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能，其具有操作温度低、能量效率高、无电解质腐蚀等特点，是电化学和能源科学领域的一个研究热点。燃料电池根据电解质的不同，可分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池及质子交换膜燃料电池。直接甲醇燃料电池是从质子交换膜燃料电池发展而来，具有功率密度高、能量转化效率高和燃料便于携带与易于储存等优点，是一种理想的便携式可移动能源。但是，其使用过程面临一个严重的技术问题为甲醇透过问题，其严重阻碍了直接甲醇燃料电池的产业化进程。

解决甲醇渗透主要有两种途径：使用甲醇渗透率低的电解质膜和使用抗甲醇氧化的氧还原催化剂。直接甲醇燃料电池阴极催化剂可分为两种：非贵金属催化剂和Pt催化剂。其中，催化活性较高的氧还原催化剂为Pt催化剂。然而，金属铂的价格及来源短缺限制了Pt催化剂的应用，并且在氧化还原过程中Pt催化剂容易因一氧化碳毒化和甲醇氧化而失去活性。掺杂有过渡金属及其氧化物的Pt合金催化剂同时具有铂的高活性与过渡金属的抗甲醇性，但是过渡金属易发生溶解，并能迁移到阳极再沉积，占据电极表面的活性位点。

石墨碳具有较高的比表面积、良好的导电性和较佳的孔结构，因此广泛用作催化剂的载体，同时石墨碳还可以通过多种方法进行改性，达到不同的效果。其中，通过掺杂氮或者硼元素可以改变材料的电子性质，并且氮掺杂碳材料作为非金属氧还原催化剂已得到广泛的应用，Dacheng Wei等采用CVD法制备了氮掺杂石墨烯；Nan Li等利用弧放电方法得到了氮掺杂的石墨烯材料，其中掺杂后的石墨碳材料能使结构发生变化，电导率提高，并且可作为还原催化剂；Qu等利用气相沉积法制备了氮掺杂的石墨烯。由于氮掺杂碳材料不含金属元素，因此可以有效解决甲醇渗透造成的催化剂氧化及一氧化碳中毒等问题，但其催化活性较差，并且石墨烯、碳纳米管等碳材料制备方法复杂，成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种直接甲醇燃料电池催化剂及其制备方法，该催化剂抗一氧化碳中毒、耐甲醇氧化同时具有良好的催化活性。

本发明提供了一种直接甲醇燃料电池催化剂，包括炭黑和掺杂在其中的氟和氮；

所述氟的含量为催化剂总重量的0.1%~20%；

所述氮的含量为催化剂总重量的0.1%~20%。

本发明提供了一种直接甲醇燃料电池催化剂的制备方法，包括以下步骤：

A）将炭黑与氟化铵混合，加热进行高温分解反应后，继续加热进行氟掺杂反应，得到氟掺杂的炭黑材料，所述炭黑与氟化铵的质量比为2.5~500:1；

B）将所述氟掺杂的炭黑材料与三聚氰胺混合，加热进行高温分解反应后，继续加热进行氮掺杂反应，得到直接甲醇燃料电池催化剂，所述氟掺杂的炭黑材料与三聚氰胺的质量比为1~660:1。

优选的，所述步骤A中高温分解反应的反应温度为300℃~500℃，反应时间为0.5~7h。

优选的，所述步骤A中氟掺杂反应的反应温度为750℃~1000℃，反应时间为0.5~6h。

优选的，所述步骤B中高温分解反应的反应温度为300℃~500℃，反应时间为0.5~7h。

优选的，所述步骤B中氮掺杂反应的反应温度为750℃~1000℃，反应时间为0.5~6h。

优选的，所述步骤A具体为：

A1）将炭黑、氟化铵与水混合超声20~40min，得到混合液；

A2）将所述混合液离心，干燥，得到混合物；

A3）将所述混合物加热进行高温分解反应后，继续加热进行氟掺杂反应，得到氟掺杂的炭黑材料。

优选的，所述步骤A1还包括：

将所述混合液搅拌20~26h。

优选的，所述步骤A2还包括：

将所述混合物研磨20~40min。

优选的，所述步骤B具体为：

B1）将所述氟掺杂的炭黑材料与三聚氰胺混合研磨20~40min，得到粉末；

B2）将所述粉末加热进行高温分解反应后，继续加热进行氟掺杂反应，得到直接甲醇燃料电池催化剂。