[发明专利]一种用于燃料电池的石墨烯复合催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯复合燃料电池催化剂，具体涉及一种用于燃料电池的石墨烯复合催化剂及其制备方法。

背景技术

2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家使用微机械剥离的方法发现了石墨烯，并于2010年获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯为一种单一原子厚度且具有sp²键结的碳原子的平板结构，理论上，具有完美六角网状构造，呈现优异的电子稳定性、导热性、光性能、力学性能等。自从石墨烯被发现以后，由于其优异的性能和巨大的市场应用前景引发了物理和材料科学等领域的研究热潮。

随着煤、石油等化石能源的日益枯竭，人类社会正面临着越来越严重的能源危机，在使用化石能源的过程中，所产生的硫化物、氮氧化物以及碳氧化物等污染气体已经给环境带来了巨大的破坏。燃料电池作为一种可再生、清洁无污染的新型能源正受到越来越多的关注。作为燃料电池最重要组件之一的催化剂密切关系到燃料电池的性能指标，一直以来都是燃料电池和催化剂科研工作者的研究重点。目前，燃料电池催化剂的载体一般都是选择导电性好、比表面积高的碳质材料，如石墨、炭黑、碳纳米管等；其中碳纳米管由于其大的比表面积和优良的电学、力学及吸附性能，已被证明是一种优良的燃料电池催化剂载体，与碳纳米管相比，石墨烯生产成本更低、性能更优，因此，用石墨烯作为燃料电池催化剂的载体，具有更好的应用前景。

中国发明专利申请号201510564565.7公开了一种燃料电池催化剂Pt-CrN/石墨烯复合体的制备和应用。所述制备方法为，先利用氧化石墨和铬盐制得CrN/石墨烯复合体，再利用将铂盐、溶剂和CrN/石墨烯复合体制得Pt-CrN/石墨烯复合体。本发明制备的产品作为燃料电池催化剂，具有优异的阳极氧化、阴极氧还原性能。工艺简单，成本低，可控性好，可重复性好，可适于大规模生产。然而该方法制备的石墨烯容易与纳米颗粒发生团聚，降低电子的输运特性，而且使用的原料成本高，不适合连续化大规模生产。

中国发明专利申请号201410742322.3公开了一种燃料电池用阵列碳纳米管/石墨烯载铂催化剂及其制备方法。所述制备方法是先制备出镍/钴载石墨烯复合材料，再通过化学气相沉积在石墨烯上生长直立有序的碳纳米管，最后将铂还原于载体石墨烯-阵列碳纳米管上。该种载体具有特殊的结构，直立有序的碳纳米管生长于石墨烯上，不但有较大的比表面积可以提高铂的利用率，还为电催化反应提供了畅通的离子、电子通道，有利于提高电催化反应速率，最终有利于提高催化剂的催化效率和贵金属的利用率。然而该方法工艺复杂，设备投入成本大，大规模生产难度大。

中国发明专利申请号201310670591.9公开了一种石墨烯改性的燃料电池负极催化剂材料及其制备方法。该方法将聚苯胺‐铁‐镍‐石墨烯在硫酸溶液中复合得到催化剂粉末。然而，该方案制备的催化剂的铁、镍纳米粒子反应活性强，非常容易造成催化剂中毒，失去催化活性。

中国发明专利申请号201310401298.2公开了一种燃料电池用Pt-Co/C-单层石墨烯的制备方法。该发明将氧化石墨烯表面负载Pt-Co合金纳米粒子制备复合催化剂。该发明简单易行，效率高，且得到的石墨烯具有单层结构，合金粒子的粒径分布均匀，平均粒径约为1.5 nm，所得到的催化剂具有优异的氧还原电催化性能。然而，该方案仍然使用了贵金属Pt作为催化剂材料，成本昂贵，不适合大规模生产。

根据上述，虽然石墨烯被用于燃料电池催化剂的载体材料，但是由于石墨烯价格昂贵，原料成本高，不适合连续化大规模生产，而且容易与纳米颗粒发生团聚，造成电解质中的石墨烯分散不均匀，降低电子的输运特性，而且贵金属铂、金材料的使用会进一步增加成本，不利于燃料电池的大规模应用。再者，纳米金属铁、钴、镍的使用，非常容易造成催化剂中毒，失去催化活性，催化稳定性差是严重制约应用的主要原因。因此，开发低成本、规模化地制备石墨烯复合燃料电池催化剂符合燃料电池市场需求。

发明内容

针对目前直接利用石墨烯和贵金属作为燃料电池催化剂的原料，成本高、工艺连续性差、无法大规模生产，而石墨烯与铁钴镍金属复合制备的催化剂稳定性差的问题，本发明提出一种用于燃料电池的石墨烯复合催化剂及其制备方法，从而实现连续稳定制备石墨烯复合材料，同时解决了纳米粒子的分布不均匀的问题和铁钴镍金属催化剂稳定性差的问题，进一步推动了大规模石墨烯燃料电池催化剂的生产。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于燃料电池的石墨烯复合催化剂，其特征在于，所述复合材料由下列重量份的原料制备而成：

石墨原料10-40份