[发明专利]氧化铁/载体催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明关于一种催化剂制备方法，特别是关于一种利用该铁络合物制作氧化铁/载体催化剂的制备方法。

背景技术

催化剂主要当作一种促进氧化还原反应的催化剂。目前在石化和能源工业方面，主要应用贵重金属铂当作一种促进氧化还原反应的催化剂。在石化工业方面，铂催化剂能帮助增加石油的产量。此外，大多数汽车配备的废气净化器，借助铂催化剂催化，使一氧化碳及未燃烧的碳氢化合物转化成无害的二氧化碳和水蒸气。在能源工业方面，发展燃料电池以供商业用途受到广泛重视，因为燃料电池具有高效能及低排放量等优点，且排放出的只有无害的二氧化碳、水和空气，被视为一种干净能源的代表，其中，以铂或铂/碳黑为主的催化剂被大量应用于燃料电池上，用以催化燃料电池中的氧化还原反应。

然而，短期来说，包含少量铂或铂/碳黑的催化剂是可行的，但是长期应用上，非贵重金属势必将成为一种降低成本的取代品。如果能以非贵重金属催化剂取代贵重金属催化剂例如铂催化剂或铂/载体催化剂，将能够大为提升催化剂的应用。例如燃料电池，尤其是质子交换膜型燃料电池（PEMFC）内的燃料电池膜电极组（Membrane electrode assembly, MEA）制备成本因使用价格昂贵的铂当催化剂，无法使成本有效降低而大量生产。

近年来，数种相关非贵重金属催化剂已被探索，其中包含氮化金属（metal nitrides），例如氮化铁/碳黑催化剂（Fe-N/C）及氮化钴/碳黑催化剂（Co-N/C）、过渡金属合金（transition metal alloys）及辉铜矿（chalcogenides）等。其中，利用氮化铁/碳黑催化剂（Fe-N/C） 以取代贵重金属催化剂最为广泛，主要目的是为解决贵重金属运用于燃料电池上造成的高花费。

现有一种氮化铁/碳黑催化剂（Fe-N/C）制备方法，如英国《在固态高分子燃料电池氧化还原中，氮气是否会影响以铁为主的催化剂表现？》（Is nitrogen important in the formulation of Fe-based catalysts for oxygen reduction in solid polymer fuel cells? Electrochimica Acta. Vol. 42 No. 9, pp.1379-1388,1997），为先将150毫克的二茂铁（Ferrocene, Fe（C₅H₅）₂）溶解于一溶剂苯（benzene）中，然后将2克碳黑（XC-72R）加入该溶剂中搅拌混合。接着将该混合液加热使溶剂蒸发，获得一混合物。该混合物于75℃空气中干燥获得一干燥混合物，其铁含量占重量百分比约2%。然后将该干燥混合物磨碎放置于一个石英盘中并放入一个通有氩气（Ar）的石英管中，于室温下进行30分钟。接着将该石英管放置于一个已预热至1000℃的熔炉中，并将乙腈蒸气（acetonitrile,CH₃CN）通入该石英管中，进行热分解2小时。然后将该石英管移出该熔炉，此时仍继续保持室温氩气的通入直到该石英管冷却至室温，便能够获得氮化铁/碳黑催化剂（Fe-N/C）。

然而，现有氮化铁/碳黑催化剂（Fe-N/C）制备方法借助将含铁的混合物研磨使其颗粒变小再于热分解过程中通入乙腈使该混合物中的铁与乙腈中的氮结合形成氮化铁/碳黑催化剂，其制备方法无法有效控制形成的催化剂颗粒大小、均匀度及分散性，造成催化剂比表面积无法增加进而影响催化能力等缺点，无法真正取代贵重金属催化剂。此外，现有氮化铁/碳黑催化剂（Fe-N/C）制备方法中所使用的溶剂苯及乙腈为有毒物质，将造成环境上的不良影响。

基于上述原因，确实有必要发展一种有别于现有氧化铁/载体催化剂的制备方法，以克服如上所述的问题。

发明内容

本发明主要目的为改善上述问题，在于提供一种氧化铁/载体催化剂的制备方法，其可以使氧化铁/载体催化剂颗粒范围分布小，以增加氧化铁/载体催化剂颗粒均匀度。

本发明次一目的在于提供一种氧化铁/载体催化剂的制备方法，其催化剂能够增加氧化铁/载体催化剂颗粒分散性。

本发明再一目的在于提供一种氧化铁/载体催化剂的制备方法，其能够增加氧化铁/载体催化剂比表面积，以提升催化能力。

本发明又一目的在于提供一种氧化铁/载体催化剂的制备方法，催化剂其能够降低制备成本。