[发明专利]一种原子级分散非贵金属燃料电池阴极催化剂的制备方法

说明书

本发明属于电化学催化领域，并公开了一种原子级分散非贵金属燃料电池阴极催化剂的制备方法。该方法包括下列步骤：(a)将海藻酸盐加热溶解为海藻酸盐溶液，保持加热温度并在海藻酸盐溶液中加入金属盐，生成海藻酸盐螯合物溶液；(b)海藻酸盐螯合物溶液中加入有机氮化物，二者反应并将反应后的产物蒸干得到粉末状化合物；(c)对粉末状化合物依次进行第一次热处理、酸洗和第二次热处理，由此制得所需的催化剂。通过本发明，制备出在酸性介质中具备很高活性的催化剂，实现自身将活性位点均匀分散的固定，容易调控，适用于大规模的生产和使用。

技术领域

本发明属于电化学催化领域，更具体地，涉及一种原子级分散非贵金属燃料电池阴极催化剂的制备方法。

背景技术

氧还原反应(酸性溶液O₂+4H⁺+4e^-→H₂O、碱性溶液O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-)是发展燃料电池获得清洁能源研究的重要反应，而目前也是阻碍燃料电池商业化的最大障碍，相比于阳极的氧析出反应，氧还原的动力学迟缓。目前只有一系列贵金属及贵金属合金才能有效的催化阴极氧还原反应，而贵金属存在价格高昂，资源有限，稳定性不够好等突出问题，阻碍了质子交换膜燃料电池的商业化发展。从这个层次来说，对于质子交换膜燃料电池的阴极氧还原反应，发展低成本，资源丰富，稳定性好的非贵金属催化剂才能从根本上解决目前质子交换膜燃料电池商业化的问题。

近年来的研究表明，基于过渡金属(铁，钴，镍)掺杂氮的碳催化剂在催化氧还原反应表现出了较好的活性，因此许多研究者开展了很多工作，也取得了较好的发展，如活性的提高，形貌的控制等等。许多机理研究表明活性高的原因在于氮掺杂的碳有着较高的比表面积，电导率，以及高通量的质量传输。然而，制备出活性位点均匀分散的以及在催化过程中避免自身团聚的催化剂报道较少，而且在酸性介质中具有高活性及稳定性的更是少之又少。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种原子级分散非贵金属燃料电池阴极催化剂的制备方法，通过采用类似于分散剂的海藻酸盐与过渡金属阳离子发生“自锁”反应形成螯合物，从而将铁原子级的均匀分散在碳基质上，然后再引入氮源，可以获得更多的活性位点，由此解决活性位点均匀分散的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种原子级分散非贵金属燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，该制备方法包括下列步骤：

(a)将海藻酸盐加热溶解为海藻酸盐溶液，保持该加热温度并在所述海藻酸盐溶液中加入金属盐，由此生成海藻酸盐螯合物溶液；

(b)在由步骤(a)制得的海藻酸盐螯合物溶液中加入有机氮化物，二者反应并将反应后的产物蒸干得到粉末状化合物；

(c)对所述粉末状化合物依次进行第一次热处理、酸洗和第二次热处理，制得所需的催化剂，由此完成所需催化剂的制备。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述海藻酸盐与金属盐的摩尔比为1/4～16:1，其中，海藻酸盐的摩尔量是按照一个分子单元计算。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述加热的温度范围为30℃～100℃。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述金属盐采用FeCl₃、Fe(NO₃)₃或Fe(CH₃COO)₂中的一种或组合。

进一步优选地，在步骤(b)中，加入的所述有机氮化物与所述金属盐的摩尔比为1～32:1。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述有机氮化物为乙二胺、三聚氰胺、氰胺或双氰胺中的一种或组合。