[发明专利]一种燃料电池用非铂基催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池用非铂基催化剂及其制备方法，包括制备聚吡咯管，聚吡咯管磺化，将磺化聚吡咯管、五氧化二磷和1,1‑双（二苯基膦基）二茂铁二氯化钯混合，在180‑250℃下机械搅拌8‑12小时，后先后用N,N‑二甲基甲酰胺、氯仿、去离子水洗涤粗产物，烘干得到Fe/Pd负载磺化聚吡咯管和使用微粉磨将Fe/Pd负载磺化聚吡咯管粉碎成直径0.1‑2μm的颗粒，再将粉碎后的颗粒放入炭化炉，在惰性气体氛围保护下，于800℃‑1000℃下碳化6～10小时得到燃料电池用非铂基催化剂步骤。本发明制备的燃料电池用非铂基催化剂具有较好的催化活性和稳定性，而且制备方法简单，成本低廉。

技术领域

本发明属于新能源新材料技术领域，涉及一种燃料电池用非铂基催化剂及其制备方法，具体涉及一种燃料电池用N掺杂Pd/Fe催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种能将储存在于燃料中的化学能直接转化成电能的能源装置，具有寿命长、比功率与能量密度高、可在室温下启动、环境友好、无电解液流失、负荷响应快、水易排除的优点，在电动汽车、移动电源方面具有广阔的应用前景，被誉为新一代清洁新能源装置。

影响燃料电池性能的主要因素是阴极的氧气还原反应，而决定氧气还原反应的是燃料电池中的重要部件之一的电极催化剂，其性能的好坏直接影响着燃料电池的成本，功率和稳定性。传统上，作为氧气还原反应的催化剂材料应用最多的是铂基材料，铂基材料催化剂在酸性和碱性条件下都具有较高的催化性能，但贵金属铂昂贵的价格及铂基催化剂差的选择性和耐久性阻碍了燃料电池的商业化应用。因此，开发一种低成本、高性能的非铂基催化剂有着广泛的市场价值和应用前景，是推动燃料电池商业化应用的关键技术。

发明内容

为克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种燃料电池用非铂基催化剂及其制备方法。该催化剂制备方法简单、价格低廉、具有较好的催化活性及稳定性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池用非铂基催化剂的制备方法，包括如下步骤：

1）聚吡咯管的制备：将三氯化铁溶解于溶质质量分数为10%的甲基橙溶液中，等有絮状物质生成时，再向其中加入吡咯单体，搅拌反应25～35小时，过滤取滤渣，用去离子水冲洗滤渣至滤液为无色，随后干燥除去水分得到聚吡咯纳米管；

2）聚吡咯管磺化：将步骤1）中制备得到的聚吡咯管、1,4-丁磺酸内酯、去离子水、碱、四丁基溴化铵依次加入到N，N-二甲基甲酰胺中，在40-60℃下搅拌10-16小时，产物通过旋蒸、用丙酮和去离子水洗、干燥等步骤即可得到磺化聚吡咯管；

3）Fe/Pd负载磺化聚吡咯管：将步骤2）中制备得到的磺化聚吡咯管、五氧化二磷、1,1-双（二苯基膦基）二茂铁二氯化钯混合，在180-250℃下机械搅拌8-12小时，后先后用N,N-二甲基甲酰胺、氯仿、去离子水洗涤粗产物，烘干得到Fe/Pd负载磺化聚吡咯管；

4）粉碎、碳化：使用微粉磨将步骤3）中制备得到的Fe/Pd负载磺化聚吡咯管粉碎成直径0.1-2μm 的颗粒，再粉碎后的颗粒放入炭化炉，在惰性气体氛围保护下，于800℃~1000℃下碳化6～10小时得到燃料电池用非铂基催化剂。

其中，步骤1）中所述三氯化铁、甲基橙溶液以及吡咯单体的质量比为(16-32):(30-100):(6-13)；

步骤2）中所述聚吡咯管、1,4-丁磺酸内酯、去离子水、碱、四丁基溴化铵、N，N-二甲基甲酰胺的质量比为20:(4-6) :(10-20) :20:4:(80-100)；所述碱选自碳酸钠、氢氧化钠、叔丁基醇钠、氢化钠中的一种或几种；

步骤3）中所述磺化聚吡咯管、五氧化二磷、1,1-双（二苯基膦基）二茂铁二氯化钯的质量比为：20:(1-2) :(3-5)；步骤4）中所述惰性气体氛围为氮气氛围、氩气氛围、氦气氛围、氖气氛围中的一种或几种；

所述催化剂粒度为0.1-2μm