[发明专利]一种生物蛋白合成非贵金属氧还原催化剂的制备方法

说明书

技术邻域

本发明属于燃料电池催化剂领域，更具体涉及一种生物蛋白合成非贵金属氧还原催化剂的制备方法。

技术背景

质子交换膜燃料电池，简称PEMFC，具有如下优点：1)PEMFC能量密度高，电池效率高；2)电池的电解质为固体，有效的避免了对电池材料的腐蚀； 3)可以在室温下运行，最高运行温度仅为100℃左右，操作温度低，能够适应实际生产的需要；4)在室温下即可启动，具有启动快捷的优点；5)其对环境友好，能够减少对环境的污染，例如以氢气作为燃料，相应的产物为水，对环境无污染。由于质子交换膜燃料电池具有上述诸多优点，因而被人们认为是移动动力(例如电动汽车等)的最佳电源，受到人们的广泛重视。

然而自从20世纪60年代，质子交换膜燃料电池诞生以来，却没有得到真正意义上的商业推广。其中一个重要的原因就是由于PEMFC中氧的阴极还原反应具有反应迟缓、反应途径多样性的特点。为了保证反应的顺利进行，氧还原反应需要在催化剂的情况下进行。而目前并且其稳定、耐甲醇性能差。故寻找一个价格低廉、稳定性好且效率高的并具有耐甲醇性能的燃料电池阴极氧还原催化剂对于质子交换膜的燃料电池的商业化大规模应用具有关键性意义。

近年来，碱性溶液中催化剂的研究成上升趋势，对于阴极氧还原催化剂的研究如Pt系、Pd系、Ag系以及Mn系的金属及其氧化物等。但是，目前这些催化剂都存在一定问题，如贵金属催化剂成本较高，不利于其商业化的发展，MnO₂等催化剂构成的催化层由于导电性差，会增大电池内阻，降低电池效率。同时，由于从阳极渗透的燃料会在阴极催化剂表面发生氧化反应，产生混合电位，降低了电池性能。

发明内容：

为了解决当前燃料电池催化剂制备成本高的问题，本发明提出了一种生物蛋白合成非贵金属氧还原催化剂的制备方法，这种燃料电池氧还原催化剂制备方法简单，成本低廉。

一种生物蛋白合成非贵金属氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，采用如下步骤制备:

A：将20mg～10g的血红蛋白加入到50ml 0.1～5mol/L的氨水溶液中得到溶解液；

B：将步骤A得到的溶解液超声10min，然后再搅拌3h，最后在60℃的真空干燥箱中烘干制备得到前驱体；

C：将步骤B制备得到的前驱体放到管式炉中，首先通入氮气3～5分钟，氮气的流量为30～500ml/min；然后保持氮气的流量不变，同时对管式炉进行升温，升温至600～900℃，并保温两小时，然后随炉冷却降到室温；关闭氮气，得到碳基非贵金属燃料电池氧还原催化剂。

进一步：所述步骤A中氨水的浓度为0.25mol/L，在该浓度的氨水下，血红蛋白的溶解更加充分。

进一步：所述步骤A中得到的溶解液血红蛋白浓度为4g/L，在该浓度的水红蛋白溶解分散好。

进一步：所述步骤A中还要加入0.2g氯化钠，氯化钠具有模板的作用，在基底上形成许多大孔结构，产生多孔碳材料的微观形貌，提高了催化剂的比表面积。

进一步：所述步骤C中管式炉的升温速度为10℃/min，该升温速度下得到的催化剂催化性能好。

进一步：所述步骤C中将步骤B制备得到的前驱体放到管式炉中，首先通入氮气5分钟，氮气的流量为100ml/min。然后保持氮气的流量不变，同时对管式炉进行升温，升温至800℃，并保温两小时，然后随炉冷却降到室温。关闭氮气，得到碳基非贵金属燃料电池氧还原催化剂，该条件下得到的催化剂催化性能更加稳定。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明以氨水、血红蛋白和氮气为原料，这些原料来源广泛，廉价易得，没有采用铂、卟啉、酞菁的价格昂贵的原料，能够显著降低催化剂的成本。

2、本发明的方法操作简单，制作方便，设备投入小，能够适于工业化实际生产的需要。

本发明进行了对比试验，实验结果表明，本发明的催化剂具有良好的氧催化还原活性，且具有较好的稳定性。

附图说明：

图1为实施例1制备的生物蛋白合成非贵金属氧还原催化剂在氧气饱和的 0.1M KOH溶液中氧还原催化活性图；

图2为实施例1制备的生物蛋白合成非贵金属氧还原催化剂在氧气饱和的 0.1M KOH溶液中氧还原催化稳定性比较图；

图3为实施例1制备的生物蛋白合成非贵金属氧还原催化剂在氧气饱和的 0.1M KOH溶液中氧还原催化电子转移数计算图；