[发明专利]导电聚合物修饰的碳载锰基复合物催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池和空气电池领域，具体地说，是一种作为燃料电池和空气电池阴 极催化剂，用于氧电化学还原的导电聚合物修饰的碳载锰基复合物催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种直接将储存在燃料中的化学能转变为电能的能量转换装置，由于其无 需经过卡诺循环，能量密度和能量转换效率高，是一种新型的绿色能源技术。近几年来，由 于燃料电池(Fuel Cell)的技术获得创新突破，再加上环保问题与能源不足等多重压力相继到 来，各国政府与汽车、电力、能源等产业渐渐重视燃料电池技术的发展。燃料电池是高效 率、低污染、多元化能源的新发电技术。燃料电池使用醇类、天然气、氢气、硼氢化钠、 肼等燃料转换成电流，使其能持续产生电力，不需二次电池的充放电程序。充电时，只要 再装进燃料即可。燃料电池，简单的说就是一个发电机。燃料电池是火力、水力、核能外 第四种发电方法。

随着纳米科技的发展，燃料电池在技术上已经有了重大的突破，特别是低温操作的质 子交换膜型(proton exchange membrane fuel cell；PEMFC)的问世使燃料电池得以由高不 可攀的太空科技应用领域进入民生应用的范畴，PEMFC已广被重视而成重点开发技术之 一。其中，采用质子交换膜为电解质的直接液体燃料电池(DLFC)，除了具有其他燃料电 池所共有的能量转换效率高、低排放、无污染和无噪音等优点，另外还具有独到的优势： 常温使用、结构简单、燃料携带补给方便、体积和重量比能量密度高和红外信号弱。尤其 适合作小型移动及便携式电源，在国防、通讯、电动车等方面有极佳的潜在应用前景。

通常低温燃料电池都需要以贵金属材料为催化剂。为降低催化剂的成本，主要从以下 两个方面展开工作：a.提高铂的利用率，降低其用量；b.寻找新的价格较低的非贵金属催化 剂。为了降低电极铂用量，电极均不用纯铂，以高比表面炭黑为载体制备高分散的碳载铂 催化剂，增加铂的表面积，提高铂的利用率。近期美国科学家发明了一种新型的氢燃料电 池催化剂，聚吡咯钴，使用低成本的非贵重金属嵌入杂原子聚合物结构中制成。测试中， 这种催化剂的电能产生的活性虽然低于基于铂的PEMFC催化剂，但却在长达100小时的测 试中表现出了很好的稳定性。目前对低成本催化剂的研究主要集中在过渡金属原子簇合物 催化剂、中心含过渡金属的大环化合物催化剂和金属碳化物催化剂；另外氮化物、硫化物、 硼化物以及硅化物等用作低温燃料电池催化剂也有报道，但这些催化剂的性能比较差，研 究也比较少。

空气电池是以金属锌、镁为负极、空气中的氧作为正极活性物质的一种高性能、无污 染的化学电源。该产品的主要技术特征：一是容量大、重量轻、比能量高，为铅酸蓄电池 的8-20倍能量密度。镁具有比锌更高的电化学当量，镁空气电池具有比能量高、使用安全 方便、原材料来源丰富、成本低、燃料易于贮运、可使用温度范围宽(-20℃～80℃)及污染 小等特点。作为一种高能化学电源，在可移动电子设备电源、自主式潜航器电源、海洋水 下仪器电源、备用电源和电动汽车等方面具有广阔的应用前景。空气电池以KOH溶液或 NH₄Cl溶液作电解液。以KOH溶液为电解质时，其基本工作原理为电池负极(阳极)上的 锌或镁与电解液中的OH^-发生电化学反应(阳极反应)，释放出电子。同时空气负极反应层 中的催化剂与电解液及经由扩散作用进入电池的空气中的氧气相接触，吸收电子，发生电 化学反应(阴极反应)。为了提高空气电池的性能，通常也需要以贵金属材料作为催化剂。

在已公开的中国发明专利“导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的制备方法” (申请号：200910098411.8，公开号：CN101549304)中提出了用两步法制备导电聚合物 修饰的碳载氢氧化钴：先制备导电聚合物修饰的炭黑，然后在导电聚合物修饰的炭黑上担 载氢氧化钴。该方法不仅过程繁琐、合成时间长，容易引起导电聚合物修饰层的失活，从 而导致担载氢氧化钴时造成分布不均，催化粒子尺寸不均，催化性能下降的问题。而且催 化剂只是吸附导电聚合物修饰层表面，结合力较弱，因而性能稳定性较差。另外，钴是战 略物质，比较昂贵。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于燃料电池和空气电池阴极的导电聚合物修 饰的碳载锰基复合物催化剂的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括下述步骤：