[发明专利]碱性阴离子交换膜燃料电池阳极纳米催化剂及制备和应用

说明书

本发明涉及一种碱性阴离子交换膜燃料电池阳极纳米催化剂的制备方法和应用。采用过渡金属氧化物二氧化铈(CeO₂)修饰碳负载铱(Ir/C)纳米催化剂的方法，制备得到的Ir/CeO₂‑C催化剂比同样方法制备的Ir/C催化剂的比表面积大，催化活性高，碱性条件下稳定性好；并且制备过程简单，条件温和。本发明制备的过渡金属氧化物(CeO₂)修饰碳负载铱(Ir/C)纳米催化剂在碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)氢氧化电催化中具有较好的应用价值。

技术领域

本发明涉一种碱性阴离子交换膜燃料电池阳极纳米催化剂的制备方法和应用，该方法经过复合载体的制备和催化剂的制备,制备得到的Ir/CeO₂-C催化剂在碱性阴离子交换膜燃料电池阳极氢氧化电催化方面具有较高的实用价值。

背景技术

碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)是最近几年发展起来的一种新型燃料电池。与质子交换膜燃料电池(PEMFC)相比,它继承了碱性燃料电池(AFC)阴极氧还原反应(ORR)动力学快的优点,有望从根本上摆脱对贵金属铂的依赖；同时又采用固体聚合物电解质膜，克服了AFC中液体电解质泄漏以及KOH电解质溶液的碳酸盐化问题,兼具了AFC和PEMFC二者的优点。因此，AAEMFC具有广阔的应用前景，成为燃料电池领域一个新的研究热点。

燃料电池的核心是电化学反应所需的电催化剂，这直接影响到电池的性能以及电池的寿命。AAEMFC虽然继承了碱性燃料电池(AFC)阴极氧还原反应(ORR)动力学快的优点，但是在碱性条件下，即便是贵金属铂基催化剂，阳极氢氧化反应(HOR)的交换电流密度比酸性条件下小2个数量级，严重阻碍了AAEMFC摆脱贵金属催化剂目标的实现，因此近期针对碱性条件下使用的非铂或者非贵金属阳极氢氧化催化剂的研究有逐渐增多的趋势。

在碱性氢氧化电催化剂的研究方面，金属Ir及其Ir-M合金催化剂已引起了广泛的关注。Wei.等人(Chin.J.Catal.,2016,37:1142–1148)描述了一种溶剂蒸发加氢气还原法制备了3种Ir-M/C(Fe、Co、Ni)催化剂。在碱性条件下，发现IrNi/C具有最佳的催化活性。Miller.等人(Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,6004–6007)介绍了一种Pd/CeO₂-C制备方法。该阳极催化剂的全电池性能达到500mW cm^-2,是Pd/C催化剂的5倍。

本方法首先采用沉淀法将前驱体铈盐、载体碳，在碱性条件下进行一系列化学反应，然后经过离心洗涤-真空干燥-空气焙烧制得直径为7.6nm左右二氧化铈(CeO₂)修饰碳复合载体。然后采用乙二醇为分散剂和还原剂，在一定条件下制备得到纳米颗粒直径为2.1nm Ir/CeO₂-C催化剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种碱性阴离子交换膜燃料电池阳极纳米催化剂的制备方法和应用，保证依据该方法制备出的氢氧化电催化剂可以使碱性阴离子交换膜燃料电池具备较好的全电池性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：首先采用沉淀法将前驱体铈盐、载体碳，在碱性条件下进行一系列化学反应，然后经过离心洗涤-真空干燥-空气焙烧制得直径为7.6nm左右二氧化铈(CeO₂)修饰碳复合载体。然后采用乙二醇为分散剂和还原剂，在一定条件下制备得到纳米颗粒直径为2.1nm Ir/CeO₂-C催化剂。

本发明的优点：

1、该制备方法工艺简单、成本低廉、便于实现工业化生产，在较温和条件下有效控制合成直径为7.6nm左右的CeO₂-C复合载体，然后采用乙二醇为分散剂和还原剂，在一定条件下制备得到纳米颗粒直径为2.1nm Ir/CeO₂-C催化剂，该催化剂具有良好的催化活性。