[发明专利]一种燃料电池氢氧化非铂催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池氢氧化非铂催化剂的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将化学能转换为电能的装置，它具有能量转换效率高、环境友好、室温快速启动、比功率和比能量高等突出特点，被公认为是未来电动汽车及其它民用场合最有希望的化学电源。然而，由于燃料电池中贵金属催化剂铂的大量使用，导致其成本居高不下，严重制约了其大规模商业化推广。减少使用或避免使用贵金属铂类催化剂是降低燃料电池成本的根本途径。最近开发的非贵金属阴极氧还原催化剂已具备替代铂类催化剂的可能。然而，在燃料电池的阳极，目前仅有的贵金属铂催化剂对阳极氢氧化反应(HOR)具有足够的催化活性。此外，相比较酸性条件下，铂类的HOR活性在碱性条件下低2到3数量级。因此，发展高效、低成本且同时适用酸碱催化环境的非铂阳极氢氧化催化剂具有重要意义。

中国发明专利CN103331172A公开了“一种燃料电池Ir基阳极催化剂的制造方法”，该方法先以浓氨水为络合剂形成镍氨络合阳离子，再水浴蒸干制备出碳载铱镍络合物，然后在氢气氛中还原，制备出了碳载IrNi合金催化剂。该方法制备的IrNi合金催化剂在酸性条件下表现出与商业化Pt/C相媲美的氢氧化催化活性，然而其在碱性条件下的催化活性相对较差。文献[Nature Comm.,2016,7,10141.]报导了“一种制备Ni负载在氮掺杂碳纳米管上作为氢氧化催化剂的方法”，该方法首先通过适度氧化法制备出氮掺杂碳纳米管，然后加入镍的前驱体，再用水热法制备出催化剂。该方法制备出的催化剂在碱性条件下表现出优异的催化活性，但其氢氧化催化活性与商业化Pt/C相比，仍相差一个数量级。文献[J.Am.Chem.Soc.,2013, 135(21):8016-8021.]报导了“一种制备在碱性介质中的氢氧化催化剂Ru/C的方法”，该方法首先以硼氢化钠为还原剂，用水热法还原钌的前驱体，然后在还原气氛下对催化剂进行退火处理。该催化剂在碱性条件下表现出优异的催化活性，然而催化过程中催化剂表面极易氧化稳定性差。上述方法所制备的非铂阳极催化剂皆表现出一定的氢氧化催化活性，但上述催化剂在酸碱环境下的催化活性、稳定性较铂类催化剂差距较大，无法满足实际应用的要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有阳极催化剂催化氢氧化活性低、稳定性差、成本高的问题，提供一种燃料电池氢氧化非铂催化剂的制备方法。本发明利用二氧化钛前驱体水解反应在功能化碳载体上形成二氧化钛纳米包覆层，同时通过二氧化钛悬空键螯合Pd、Os、Ru、Ir、Rh、 Ni、Co、Mo等过渡金属离子，最后通过在还原气氛热处理，形成过渡金属镶嵌在二氧化钛界面的碳载燃料电池氢氧化非铂催化剂。本发明的巧妙地利用二氧化钛/过渡金属螯合结构，强化金属与二氧化钛相互作用，形成一体化复合催化剂，提高催化剂抗电化学氧化能力，增强催化剂稳定性；利用二氧化钛界面吸附特性，加速催化金属表面氧化物中的脱附速率，提高催化剂在酸性、碱性的催化氢氧化活性；本发明制备的非铂催化剂在酸碱性环境下具有显著优于商业化Pt/C和商业化PtRu/C的氢氧化催化活性。

本发明的目的是这样实现的：一种燃料电池氢氧化非铂催化剂的制备方法，其具体方法步骤包括

(1)碳载体的功能化

取500ml圆底烧瓶，称取8克市售Vulcan XC-72碳粉，加入320毫升浓硝酸后，升温回流至沸腾开始计时，反应6小时，冷却至室温，加水稀释，抽滤洗涤至pH接近7，烘干，球磨成粉末，即得到功能化Vulcan XC-72碳粉。

(2)碳载金属二氧化钛催化剂前驱物